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Eine Li-Ion-Batteriezelle erbringt ihre optimale Leistung in einem Temperaturbereich zwischen 10° und 25°C. Je höher die Umgebungstemperatur, bei der die Batterie gelagert wird, desto schneller entlädt sie sich. Temperaturen unter dem Gefrierpunkt beschädigen in den meisten Fällen einen Akku nicht, da diese kein Wasser enthalten, doch auch sie verringern die Leistung der Zelle. Am effizientesten arbeitet ein Li-Ion-Akku, wenn er in einer gut belüfteten und trockenen Umgebung mit einer Temperatur um die 25° Celsius gelagert wird. Batterien sollten dabei nicht dem direkten Sonnenlicht oder anderen Wärmequellen sowie Feuchtigkeit ausgesetzt sein und so aufeinandergestapelt werden, dass sie ein stabiles Batteriepack bilden und bei Stößen unbeschädigt bleiben.
Die Temperaturempfindlichkeit von Li-Ion-Batterien ist der Hauptgrund, weshalb Batteriehersteller auf das Temperatur-Management achten, sodass trotz wechselnder Witterungsbedingungen und sportlicher Fahrweise die Traktionsbatterie eines E-Fahrzeugs die beste Leistung erbringt.
Die Temperaturverteilung innerhalb des Batteriepacks ist jedoch ungleichmäßig, was am Aufbau von Traktionsbatterien liegt, die aus mehreren hundert Batteriezellen bestehen. Ein Temperatur-Management ist für die Batterie daher unbedingt notwendig. Hersteller gehen hier in Forschung und Entwicklung mit umfassenden Messlösungen der Frage nach, wie sich die Temperatur innerhalb des Batteriepacks stets auf einem Niveau halten lässt.
Um dies zu erreichen, integrieren die heutigen modernen Wärmemanagementsysteme für Antriebsbatterien von E-Fahrzeugen in der Regel einen Wärmetauscher in das Batteriesystem.
Dies ist wichtig, um ein großes Temperaturgefälle zu vermeiden. Zu große Temperaturdifferenzen zwischen den Zellen würden andernfalls eine unterschiedlich schnelle Alterung der Zellen bewirken. Einige Batteriezellen, die sich schneller erwärmen, altern dann schneller als die Zellen, die kälter bleiben. Ein zu großes Temperaturgefälle im Batteriepack erhöht daher die Wahrscheinlichkeit, dass sich dessen Lebensdauer verkürzt und damit auch die Reichweite des Fahrzeugs.
Daher streben die Entwickler bei Temperatur-Managementsystemen eine Temperaturdifferenz zwischen den Batteriezellen an, die zwischen der kältesten und der wärmsten Zelle nicht mehr als 2 – 3 °C beträgt. Im ungünstigsten Fall wird ein Temperaturunterschied von 6-8 °C zwischen den Batteriezellen akzeptiert, was jedoch in der Regel nur bei größeren Batteriepacks der Fall ist.
Das Temperatur-Managementsystem soll nicht nur den Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen ausgleichen; bei der Entwicklung des Systems spielen noch weitere Faktoren eine Rolle. Die technischen Eigenschaften des Temperatur-Managementsystems für eine Traktionsbatterie werden durch die Batteriezellen selbst, der Größe des Batteriepacks sowie vom Arbeitszyklus der Batterie und der geographischen Region, in der das Fahrzeug fährt, beeinflusst.
Jeder einzelne Faktor trägt zur Wärmeentwicklung einer Batteriezelle bei und muss daher im Entwicklungsprozess des Temperaturmanagementsystems der Fahrzeugbatterie berücksichtigt werden.
Eine der Fragen, die hier wichtig sind, ist, wie oft und wie schnell oder langsam ein Batteriesatz geladen und entladen wird. Da die Wärmeentwicklung vom Strombedarf des Fahrzeugs abhängt, ist das Wissen über den so genannten "Duty Cycle" wichtig. Batteriepacks, die in einer Hochleistungsanwendung eingesetzt werden, erzeugen mehr Wärme als Batterien, die beispielsweise als Stromspeicher für erneuerbare Energie dienen.
Ein weiterer Aspekt ist die geographische Region, in der das E-Fahrzeug samt Traktionsbatterie unterwegs ist. Bei hohen Umgebungstemperaturen beginnen die Batterien ihren Betriebszyklus bei bereits erhöhten Temperaturniveaus und altern schneller. Diese Tatsache müssen Entwickler von Temperatur-Managementsystemen berücksichtigen.
Ein weiterer Faktor, der die Technologie des Wärmemanagements von E-Fahrzeug-Batterien beeinflusst, ist die Chemie der Batteriezelle. Je nach chemischer Zusammensetzung der Li-Ionen-Batteriezelle variiert ihre Leistung bei hohen Belastungen und Temperaturen.
Der Arbeitszyklus, die geografische Lage und die Zellchemie bilden den Ausgangspunkt für die Entscheidung, welche Materialien und Strategien für das Wärmemanagement einer Antriebsbatterie gewählt werden sollen. Weitere Einflussgrößen sind die physikalischen Eigenschaften der Wärmeübertragung abhängig von der Platzierung des Batteriepacks innerhalb der Fahrzeugkonstruktion. Die drei verschiedenen Arten der Wärmeübertragung, die hierbei berücksichtigt werden müssen, sind Leitung, Konvektion und Strahlung. Deren Ausbreitung wird durch die Wärmequelle und die umgebenden Materialien beeinflusst.
Während sich die Wärmeleitung auf die direkte Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Objekten bezieht, die sich in direktem Kontakt befinden, tritt Konvektion auf, wenn die Wärme durch ein flüssiges Medium zu einer wärmeabgebenden Vorrichtung geleitet wird. Im Gegensatz dazu bezieht sich die Strahlungswärmeübertragung auf Wärmeenergie, die von einer Quelle auf ein anderes Material abstrahlt und sich im Allgemeinen durch erwärmte Luft verbreitet. Alle drei Methoden der Wärmeübertragung sind bei der Auslegung des Batteriesystems zu berücksichtigen, dabei haben Wärmeleitung und Konvektion den größten Einfluss auf die Auslegung des Temperatur-Managementsystems.
Für ein aktives Wärmemanagement ist es daher wichtig, die Wärmeverteilung zu verhindern oder die Wärme durch verschiedene Medien wie Luft, Flüssigkeit oder Kältemittel abzuführen. Diese werden durch das Gehäuse und über die Zellen geleitet, um die Temperatur zu senken.
Die beiden gängigsten Methoden hierfür sind die Verwendung von Luft oder Flüssigkeit als Kühlmittel. Bei der Verwendung von Luft in einem aktiven Wärmemanagement umfasst das System im Allgemeinen einen Ventilator, Kanäle und Wärmeübertragungsplatten. Die Vorteile eines Temperatur-Managementsystems, das mit Luft kühlt, bestehen in einer relativ wirksamen und schnellen Reaktion auf Temperaturänderungen und in dem geringeren Gewicht gegenüber einem System mit flüssigem Kältemittel. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die gekühlte Luft direkt über die Zellen strömen und die Wärme ableiten kann. Der Nachteil von Luft als Kühlmittel ist, dass sie nicht so effektiv wie Flüssigkeit ist. Außerdem kann es je nach Auslegung des Luftstroms zu einer ungleichmäßigen Kühlung kommen. Während die Batteriezellen am Anfang des Luftstroms effektiv gekühlt werden, erwärmt sich die Luft innerhalb des Kühlkreislaufs und verliert ihre Kühlwirkung. Dies kann dazu führen, dass sich die Lebensdauer der Traktionsbatterie dennoch verringert.
Die Vorteile eines Kühlsystems mit Flüssigkeit liegen dagegen in der Wirksamkeit, entstandene Wärme schnell von den Zellen wegzuleiten. Mit einem Heizelement im System kann die Flüssigkeit auch dazu verwendet werden, um die Batteriezellen bei kalten Wetterbedingungen warm zu halten. Ein Temperatur-Managementsystem mit Kühlflüssigkeit ist jedoch aufgrund seiner größeren Masse tendenziell schwerer und birgt die Gefahr von Leckagen im Akkupack - zwei Nachteile, denen sich die Entwickler stellen müssen.
Ein passives Wärmemanagement hingegen reduziert die entstehende Temperatur der Batteriezellen, ohne dass ein Kühlmittel wie Luft, Flüssigkeit oder ein anderes Kühlmedium in den Batteriesatz geleitet wird.
Dies ist durch eine Konstruktion und die Wahl ausgewählter Materialien möglich, die eine erhöhte Wärmeverteilung in und zwischen den Batteriezellen verhindern. Die Verwendung von Aluminium- oder Metallgehäusen überträgt die Wärme der Zellen auf das Material, verteilt sie und strahlt sie aus dem Akkupackgehäuse in die Umgebung ab.
Eine andere Methode der passiven Kühlung durch das Gehäusedesign ist das Anbringen von Rippen auf der Oberfläche des Gehäuses. Diese leiten einen Luftstrom über das Batteriepack, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist und leiten so die Wärme ab.
Eine andere Materialwahl, die die passive Kühlung der Batteriezellen unterstützt, ist ein Phasenwechselmaterial (PCM). Phasenwechsel bedeutet, dass dieses Material in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur verschiedene Aggregatzustände annimmt und bei Erwärmung mehrere physikalische Phasen durchläuft, beispielsweise von fest zu flüssig. Bei der Konstruktion eines passiven Wärmemanagementsystems ist das PCM im Allgemeinen ein Block aus festem Material, oft auf der Basis von Wachs und Graphit. Er wird maschinell bearbeitet oder geformt und zwischen den Zellen platziert. Wenn sich die Zellen erwärmen, nimmt das PCM die Wärme auf und gibt sie ab, indem es erweicht oder schmilzt. Da für diesen Phasenwechsel viel Energie benötigt wird, ist die Verwendung eines PCM eine effektive Kühlmethode.
Ständige Fortschritte in der Konstruktion von E-Fahrzeugen und der elektrischen Leistung von Batteriepacks wirken sich auch auf die Entwicklung von Temperaturmanagement-Systemen aus. Die Entwicklung der Systeme und deren Prüfung nach Norm erfordert eine genaue Temperaturmessung. Da sich die Temperatur einer Lithium-Ionen-Zelle am genauesten im Inneren der Zelle bestimmen lässt, hier die Anbringung eines Temperatursensors jedoch fast nicht möglich ist, wird die Temperatur normalerweise an der Oberfläche der Batteriezellen gemessen.
Eine sichere, genauer und einfache Messlösung für Temperaturmessungen ist ein entscheidendes Werkzeug, um über das richtige Material und ein wirksames Design für das aktive und passive Temperaturmanagement einer Traktionsbatterie zu entscheiden.
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