Wärmemanagementmodus reiner Elektrofahrzeuge:
Batterie-Tauchkühlung
Bei neuen Anwendungen der Fahrzeugelektrifizierung ist es wichtig, elektrische Komponenten zu kühlen und zu erwärmen, um sie auf optimaler Betriebstemperatur zu halten, da dies ihre Langlebigkeit und Leistung gewährleistet. Daher ist ein geeignetes Wärmemanagementsystem unerlässlich. Mit anderen Worten: Es gilt, speziell für die eingesetzten Elektrifizierungskomponenten ein geeignetes Thermomanagementsystem zu konzipieren.
Wenn die Betriebstemperatur der Batterie zu hoch ist, kann es zu einem Verlust der Batteriekapazität und im Extremfall zu einem thermischen Durchgehen kommen. Wenn die Betriebstemperatur der Batterie zu niedrig ist, kann dies zu einer verringerten Batterieeffizienz, einem erhöhten Widerstand, einer verringerten Batteriekapazität und der Bildung von Lithiumdendriten (Lithium-Plattierungsschicht) führen. Die Lithiumbeschichtung führt zu einer beschleunigten Alterung und einem Ausfall des Batteriekerns.
Das Ziel des Wärmemanagements besteht darin, sicherzustellen, dass das System optimale Betriebstemperaturen und sichere Temperaturen aufweist. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die optimale Temperatur eines Batteriesystems je nach Betriebsmodus ändern kann. Die optimale Temperatur beim Schnellladen kann von der optimalen Temperatur beim Fahren oder Parken (Parken) abweichen.
Derzeit verwendete Wärmemanagementsysteme für Batterien umfassen hauptsächlich Luftkühlung, indirekte Flüssigkeitskühlung, direkte Flüssigkeitskühlung (auch Immersionskühlung genannt) und Phasenwechselmaterialien.
Beschreibung verschiedener Kühlsysteme
Luftgekühlte Systeme werden am häufigsten verwendet, da sie einfach zu konstruieren, kostengünstig sind und keine Leckageprobleme aufweisen. Die Luftkühlung wird in einen aktiven Typ mit erzwungener Konvektion und einen passiven Typ mit natürlicher Konvektion unterteilt. Luft hat im Vergleich zu Medien wie Flüssigkeiten eine geringe Wärmekapazität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, sodass Luftkühlung wahrscheinlich nicht die Technologie der Wahl für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen mit größeren Batteriepaketen und schnellerem Laden sein wird.
Die Flüssigkeitskühlung kann in zwei Methoden unterteilt werden: indirekt und direkt. Kühlmittel hat eine größere Wärmekapazität und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft. Aufgrund der ausgewogenen Temperaturregelung ist die indirekte Flüssigkeitskühlung derzeit eine der gängigsten Lösungen für das Batterie-Wärmemanagement. Das am häufigsten verwendete Kühlmittel ist eine Mischung aus Wasser und Ethylenglykol. Das Prinzip der indirekten Kühlung besteht darin, dass Kühlmittel durch Kanäle am Boden oder an der Seite des Zellen-/Batteriemoduls fließen kann, um Wärme vom System abzuleiten.
Die Kühlung kann durch den Einsatz spezieller thermischer Schnittstellenmaterialien (TIMs) verbessert werden. Der Nachteil der indirekten Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung ist die Komplexität des Systems. Mehr Teile und Kanäle/Schläuche können zu mehr Ausfällen, zusätzlichem Gewicht und Leckageproblemen führen.
Eine weitere neue Kühltechnologie ist die direkte Flüssigkeitskühlung, auch Immersionskühlung genannt, bei der die Batterie vollständig in eine dielektrische Flüssigkeit eingetaucht wird. Dies ist eine nicht leitende Flüssigkeit mit hoher Beständigkeit gegen elektrische Durchschläge. Durch die Einführung dieser Technologie kann die Komplexität des Batterieprozesses und des Komponentendesigns erheblich reduziert werden, was auch dazu beiträgt, Gewicht und Volumen des Systems zu reduzieren und die Stabilität und Ausgewogenheit der Batterietemperaturregelung erheblich zu verbessern. Durch die Tauchkühlung kann die Batterie je nach Bedarf ohne den Einsatz eines Wärmetauschers erwärmt oder gekühlt werden, was zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt.
Die Eigenschaften des Kühlmittels spielen beim Wärmemanagement eine wichtige Rolle und sollten folgende Anforderungen erfüllen:
Gute elektrische Isolierung
Hohe spezifische Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit
Nicht brennbar und/oder hoher Flammpunkt
Einfach herzustellen und in großen Mengen verfügbar
Verfügt über einen geeigneten Betriebstemperaturbereich
Flüssigkeiten sind lange haltbar
Zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen müssen bei der Auswahl eines geeigneten Tauchkühlmittels auch Materialverträglichkeit, geringe Dichte, niedrige Viskosität und Umweltfreundlichkeit berücksichtigt werden