Batterie-Wärmemanagementsystem (BTMS)
Das Battery Thermal Management System (BTMS) ist eines der Kernsysteme eines Elektrofahrzeugs und hat direkten Einfluss auf die Sicherheit, Leistung und Lebensdauer des gesamten Fahrzeugs.
I. Warum Batterien ein Wärmemanagement benötigen
Leistungsbatterien, insbesondere Lithium{0}}-Ionenbatterien, hängen hinsichtlich ihrer Leistung, Lebensdauer und Sicherheit stark von der Betriebstemperatur ab.
Optimale Reichweite
Der ideale Betriebstemperaturbereich für Batterien liegt typischerweise zwischen 15 und 40 Grad, wobei der optimale Bereich bei etwa 20 und 35 Grad liegt.
Gefahren durch hohe Temperaturen
Übermäßig hohe Temperaturen (z. B. über 60 Grad) beschleunigen den Kapazitätsverlust der Batterie, erhöhen den Innenwiderstand und können in extremen Fällen ein thermisches Durchgehen auslösen, das zu Bränden und Explosionen führt.
Gefahren durch niedrige Temperaturen
Zu niedrige Temperaturen verringern die Geschwindigkeit interner chemischer Reaktionen innerhalb der Batterie, was zu einem starken Abfall der Kapazität und Leistungsabgabe, zu Ladeschwierigkeiten und möglicherweise zu Lithiumablagerungen führt, die die Batterie beschädigen.
Gefahren durch Temperaturunterschiede
Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung (übermäßiger Temperaturunterschied) zwischen Zellen oder Modulen innerhalb des Akkupacks führt zu inkonsistenter Leistung, beschleunigt die Alterung des gesamten Akkupacks und schränkt seine nutzbare Kapazität ein.
Daher zielt ein effizientes Wärmemanagementsystem darauf ab, die Batterietemperatur innerhalb ihres optimalen Fensters zu halten und den maximalen Temperaturunterschied innerhalb des Batteriepakets zu minimieren (idealerweise weniger als oder gleich 3 Grad).
II. Wie das thermische System funktioniert
Das flüssige Wärmemanagementsystem nutzt zirkulierendes Kühlmittel als Medium, um Wärme abzuleiten oder die Batterie zu erwärmen.
Kühlfunktion
Wärmeaufnahme: Angetrieben von einer elektrischen Pumpe strömt das Kühlmittel durch Flüssigkeitskühlplatten innerhalb des Batteriepakets (normalerweise in Kontakt mit den Batteriemodulen) und absorbiert die von der Batterie erzeugte Wärme.
Wärmeableitung: Das Hochtemperatur-Kühlmittel wird nach der Aufnahme von Wärme zum vorderen Kühler gepumpt (luftgekühlt) oder tauscht Wärme mit der Klimaanlage des Fahrzeugs aus (über einen Kühlerwärmetauscher) und gibt die Wärme an die Außenluft ab.
Zirkulation: Das abgekühlte Kühlmittel fließt zurück in den Akku und beginnt den nächsten Zyklus.
Heizfunktion
Wenn die Batterietemperatur zu niedrig ist, kann das System das Kühlmittel mithilfe einer PTC-Heizung (Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten) erwärmen.
Das erwärmte Kühlmittel fließt durch die Flüssigkeitskühlplatten und erwärmt so wie eine „Wärmflasche“ die Batterie.
Einige fortschrittliche Systeme können auch die vom elektrischen Antriebssystem erzeugte Abwärme nutzen und diese über Plattenwärmetauscher zur Batterieheizung zurückgewinnen und so die Energieeffizienz verbessern.
III. Schlüsselkomponenten des Systems
Ein typisches Flüssigkeits-Wärmemanagementsystem besteht hauptsächlich aus den folgenden Komponenten:
Flüssigkeitskühlplatte: Die zentrale Wärmeaustauschkomponente in direktem Kontakt mit dem Batteriemodul, typischerweise aus Aluminium mit einem internen Strömungskanaldesign. Sein Design muss Wärmeableitungsleistung, Zuverlässigkeit und geringes Gewicht in Einklang bringen.
Kühlmittel: Erfordert eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Isolierung (um Kurzschlüsse zu verhindern), niedrige Viskosität, einen großen Betriebstemperaturbereich und eine gute Materialverträglichkeit. Üblicherweise werden Ethylenglykol-Wasser-Mischungen verwendet (das Verhältnis wird entsprechend den Frostschutzanforderungen angepasst), obwohl manchmal auch reine organische Alkohole und andere dielektrische Flüssigkeiten verwendet werden.
Elektrische Pumpe: Bietet Strom für die Kühlmittelzirkulation. Die Geschwindigkeit ist oft anpassbar, um eine bedarfsgerechte Versorgung zu gewährleisten und den Energieverbrauch zu senken.
Wärmetauscher(Kühler): Ein Wärmetauscher, der den Kühlmittelkreislauf und den Kühlkreislauf der Klimaanlage verbindet und zur Verbesserung der Kühlung dient.
Kühler: Befindet sich an der Vorderseite des Fahrzeugs und leitet die Wärme des Kühlmittels durch den Luftstrom ab.
Plattenwärmetauscher: Wird zum Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Kreisläufen verwendet, beispielsweise zur Abwärmerückgewinnung.
PTC-Heizung: Ein Gerät, das das Kühlmittel erwärmt, wenn Wärme benötigt wird.
Ventilkörper (z. B. Dreiwegeventil, Magnetventil): Steuert die Strömungsrichtung des Kühlmittels und ermöglicht so das Umschalten zwischen verschiedenen Modi (z. B. Umschalten zwischen Kühl- und Heizmodus oder zwischen verschiedenen Wärmequellen).
Reservoir: Gleicht die Ausdehnung und Kontraktion des Kühlmittels aufgrund von Temperaturänderungen aus und erleichtert das Befüllen und Entlüften.
Sensoren und Steuergerät: Temperatursensoren überwachen die Batterie- und Kühlmitteltemperatur in Echtzeit. Der Wärmemanagement-Controller des Battery Management System (BMS) ist das Gehirn, das den Betrieb von Aktoren wie Pumpen, PTC-Heizungen, Ventilen und Klimakompressoren auf der Grundlage von Temperatursignalen und Fahrzeugstatus mithilfe von Algorithmen intelligent steuert.