Wärmemanagement-Technologie Übersicht 1
1.1 Wärmemanagement der Batterie
Das Wärmemanagement der Batterie ist eine Schlüsselkomponente des Wärmemanagementsystems von Elektrofahrzeugen. Sein Hauptziel besteht darin, sicherzustellen, dass der Akkupack unter verschiedenen Betriebsbedingungen eine geeignete Betriebstemperatur beibehält, um die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer der Batterie sicherzustellen. Das Wärmemanagement der Batterie umfasst hauptsächlich zwei Aspekte: Wärmeableitung und Erwärmung. Im Folgenden werden die verschiedenen technischen Möglichkeiten zur Erreichung dieser beiden Funktionen erläutert.
1.1.1 Wärmeableitung der Batterie
1) Luftkühlung. Luftkühlung ist eine relativ einfache und kostengünstige Methode zur Wärmeableitung. Sie entfernt die von der Batterie erzeugte Wärme durch natürliche Konvektion oder durch den Einbau eines Lüfters, der den Luftstrom erzwingt. Das Luftkühlsystem verlässt sich beim Wärmeaustausch hauptsächlich auf den Kühlkörper an der Oberfläche des Batteriepacks, was für Szenarien mit geringen Leistungsdichteanforderungen oder mäßiger Umgebungstemperatur geeignet ist. Aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität von Luft ist die Wärmeaustauscheffizienz jedoch relativ begrenzt und die schnelle Kühlfähigkeit für Batterien mit hoher Leistung und hoher Energiedichte ist schwach.
2) Flüssigkeitskühlung. Die Flüssigkeitskühlungslösung verwendet Kühlmittel (wie Wasser, Ethylenglykollösung usw.) als Wärmeübertragungsmedium, das über ein Zirkulationsrohr in direktem Kontakt mit der Batterie steht, um eine effiziente Wärmeleitung zu erreichen. Das Flüssigkeitskühlsystem kann die Batterietemperatur genau regeln, insbesondere bei Hochleistungs-Elektrofahrzeugen. Während es effektiv eine Überhitzung der Batterie verhindert, sorgt es für eine gleichmäßige Temperaturverteilung der Batterie, wodurch die Batterielebensdauer und die Gesamtleistung verbessert werden. Die Flüssigkeitskühlung hat jedoch bestimmte Einschränkungen. Das Flüssigkeitskühlsystem ist komplexer, es besteht die Gefahr eines Flüssigkeitsaustritts, es gibt bestimmte Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit des Materials und die Wartungskosten sind höher.
3) Wärmeableitung durch Phasenwechselmaterial (PCM). Phasenwechselmaterialien können während des Phasenübergangs von fest zu flüssig eine große Menge latenter Wärme aufnehmen und so eine gute Wärmeableitung erzielen. Bei der Anwendung im Wärmemanagement von Batterien kann PCM um die Batterie gewickelt oder in das Batteriemodul eingebettet werden, um bei steigender Batterietemperatur Wärme aufzunehmen und eine Rolle bei der langsamen Wärmeabgabe zu spielen. Der Vorteil der Wärmeableitung durch PCM liegt in seinen konstanten Temperatureigenschaften, die einen plötzlichen Anstieg der Batterietemperatur verhindern. Die Nachteile liegen jedoch auch auf der Hand. Die Wärmeleitfähigkeit ist relativ schlecht, die Reaktionsgeschwindigkeit ist langsam und die Materialkosten sind hoch.
4) Wärmeableitung durch Heatpipes. Heatpipes können Wärme übertragen, indem sie den Phasenwechselprozess des Arbeitsfluids ohne externe Energiezufuhr nutzen, um eine effiziente Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Bei Anwendungen zur Wärmeverwaltung von Batterien können Heatpipes Wärme schnell von lokalen Hotspots ableiten und die Temperaturkonsistenz des gesamten Batteriepacks verbessern. Heatpipes haben die Vorteile einer hohen Wärmeübertragungseffizienz, einer geringen Größe und eines geringen Gewichts, aber ihre Struktur ist komplex, die Herstellungskosten sind relativ hoch und es sollte darauf geachtet werden, ein geeignetes Kondensationsende zu entwerfen, um eine effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten.
5) Wärmeableitung durch direkte Kühlung. Bei der direkten Kühlung wird hauptsächlich das Kühlmittel (normalerweise Flüssigkeit) direkt durch das Batteriemodul oder die Batteriezelle geleitet, um die Betriebstemperatur der Batterie effektiv zu steuern. Durch dieses Design kann die Wärme schnell von der Batterieoberfläche abgeleitet werden, was sich besonders für Situationen mit hohen Temperaturen und hohem Leistungsbedarf eignet. Die direkte Kühlung stellt jedoch extrem hohe Anforderungen an die Abdichtung, und wenn das Kühlmittel einmal austritt, kann dies ernsthafte Sicherheitsrisiken verursachen.
1.1.2 Batterieheizung
1) PTC-Heizung. Die Heizung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) basiert auf dem positiven Temperaturkoeffizienteneffekt, d. h. der Widerstand steigt mit der Temperatur. Daher kann sie in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen eine stabile Wärmeabgabe liefern und gleichzeitig automatisch verhindern, dass ihre eigene Temperatur zu hoch wird. PTC-Heizungen werden in Elektrofahrzeugen häufig aus Komfortgründen verwendet, beispielsweise als Sitzheizung und Zusatzheizung der Klimaanlage im Auto. Aufgrund ihrer selbstregulierenden Eigenschaften können sie stabile und effiziente Heizeffekte erzielen und gleichzeitig Probleme durch Überhitzung vermeiden. Es handelt sich um eine effiziente Heiztechnologie. Bei der PTC-Heizung handelt es sich jedoch um eine elektrische Heizung, die den Gesamtenergieverbrauch von Elektrofahrzeugen erhöht und die Reichweite verringert.
2) Wärmepumpenheizung. Die Klimaanlage mit Wärmepumpe nimmt durch den umgekehrten Carnot-Zyklus Niedertemperaturwärme aus der Umgebung auf und überträgt sie durch Komprimieren und Freigeben von Wärme an die Batterie und die Kabine. Im Vergleich zur herkömmlichen PTC-Heizmethode ist die Wärmepumpe in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen energieeffizienter, was zur Aufrechterhaltung der Fahrzeugleistung beiträgt. Allerdings sind die Konstruktion und der Betrieb von Wärmepumpensystemen komplizierter, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen, bei denen ihre Leistung nachlässt. Aus diesem Grund haben einige Studien innovative Technologien wie die Erhöhung der Enthalpie durch Lufteinspritzung und Wärmepumpen mit zwei Quellen vorgeschlagen, um die Leistung von Wärmepumpen bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu optimieren.
