Batterieträger aus thermoplastischem Verbundwerkstoff entwickeln sich zu einer Schlüsseltechnologie im Bereich der Fahrzeuge mit alternativen Antrieben. Sie vereinen viele Vorteile thermoplastischer Werkstoffe, darunter geringes Gewicht, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Designflexibilität und hervorragende mechanische Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Batterieträgern. Darüber hinaus spielt das Kühlsystem eines thermoplastischen Batteriepacks eine entscheidende Rolle für die Aufrechterhaltung der Batterieleistung, die Verlängerung ihrer Lebensdauer und den sicheren Betrieb. Ein effektives Wärmemanagementsystem sorgt dafür, dass die Batterie unter allen Betriebsbedingungen im gewünschten Temperaturbereich bleibt und erhöht so die Effizienz und Sicherheit der Batterie.
Als Schlüsseltechnologie für schnelles Laden demonstriert Kautex die Implementierung der Zweiphasen-Immersionskühlung, bei der die Antriebszelle als Verdampfer im Kühlprozess genutzt wird. Die Zweiphasen-Immersionskühlung erreicht eine extrem hohe Wärmeübertragungsrate von 3400 W/m^2*K und maximiert gleichzeitig die Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb des Batteriepacks bei optimaler Batteriebetriebstemperatur. Dadurch kann das Batterie-Wärmemanagementsystem thermische Belastungen bei Laderaten über 6 °C sicher und dauerhaft bewältigen. Die Kühlleistung der Zweiphasen-Immersionskühlung kann zudem die Wärmeausbreitung innerhalb der thermoplastischen Verbundbatteriehülle erfolgreich hemmen, während die eingeführte Zweiphasen-Immersionskühlung Wärme bis zu 30 °C an die Umgebung abgibt. Der Wärmezyklus ist reversibel und ermöglicht eine effiziente Erwärmung der Batterie bei kalten Umgebungsbedingungen. Die Implementierung der Strömungssiede-Wärmeübertragung gewährleistet eine konstant hohe Wärmeübertragung ohne Dampfblasenkollaps und daraus resultierende Kavitationsschäden.
Beim direkten Zweiphasen-Immersionskühlungskonzept von Kautex steht die Flüssigkeit im Inneren des Batteriegehäuses in direktem Kontakt mit den Batteriezellen, was einem Verdampfer in einem Kältemittelkreislauf entspricht. Durch das Immersionskühlen wird die Zelloberfläche optimal zur Wärmeübertragung genutzt, während die konstante Verdampfung der Flüssigkeit, d. h. der Phasenwechsel, für maximale Temperaturgleichmäßigkeit sorgt. Das Schema ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abb. 2 Funktionsprinzip der Zweiphasen-Tauchkühlung
Die Idee, alle notwendigen Komponenten für die Flüssigkeitsverteilung direkt in ein thermoplastisches, nichtleitendes Batteriegehäuse zu integrieren, verspricht einen nachhaltigen Ansatz. Bestehen Batteriegehäuse und Batteriewanne aus dem gleichen Material, können sie für strukturelle Stabilität miteinander verschweißt werden. Gleichzeitig entfällt der Bedarf an Verkapselungsmaterialien und der Recyclingprozess wird vereinfacht.
Studien haben gezeigt, dass eine Zweiphasen-Immersionskühlung mit SF33-Kühlmittel eine hervorragende Wärmeableitung bei der Übertragung von Batteriewärme bietet. Dieses System hielt die Batterietemperatur unter allen Testbedingungen im Bereich von 34–35 °C und zeigte eine ausgezeichnete Temperaturgleichmäßigkeit. Kühlmittel wie SF33 sind mit den meisten Metallen, Kunststoffen und Elastomeren kompatibel und beschädigen thermoplastische Batteriegehäusematerialien nicht.
Abb. 3 Experiment zur Messung der Wärmeübertragung im Batteriepack [1]
Darüber hinaus wurden in der experimentellen Studie verschiedene Kühlstrategien wie natürliche Konvektion, erzwungene Konvektion und Flüssigkeitskühlung mit SF33-Kühlmittel verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass das zweiphasige Immersionskühlsystem bei der Aufrechterhaltung der Batteriezellentemperatur sehr effektiv war.
Insgesamt bietet das Zweiphasen-Tauchkühlsystem eine effiziente und gleichmäßige Batteriekühllösung für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen, die eine Energiespeicherung erfordern, was zur Verbesserung der Batterielebensdauer und -sicherheit beiträgt.
Veröffentlichungszeit: 14. Oktober 2024