Batterieträger aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen entwickeln sich zu einer Schlüsseltechnologie im Bereich der Elektrofahrzeuge. Diese Träger vereinen zahlreiche Vorteile thermoplastischer Materialien, darunter geringes Gewicht, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, flexible Gestaltungsmöglichkeiten und hervorragende mechanische Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Batterieträger. Darüber hinaus spielt das Kühlsystem eines thermoplastischen Akkupacks eine zentrale Rolle für die Aufrechterhaltung der Batterieleistung, die Verlängerung der Lebensdauer und den sicheren Betrieb. Ein effektives Wärmemanagementsystem gewährleistet, dass die Batterie unter allen Betriebsbedingungen im gewünschten Temperaturbereich gehalten wird, wodurch Batterieeffizienz und -sicherheit erhöht werden.
Als Schlüsseltechnologie für Schnellladen demonstriert Kautex die Implementierung einer zweiphasigen Immersionskühlung, bei der die Traktionszelle im Kühlprozess als Verdampfer dient. Diese Kühlung erreicht eine extrem hohe Wärmeübertragungsrate von 3400 W/m²K und maximiert gleichzeitig die Temperaturhomogenität im Akkupack bei optimaler Betriebstemperatur. Dadurch kann das Batteriethermomanagementsystem die thermischen Lasten bei Laderaten über 6C sicher und dauerhaft regeln. Die Kühlleistung der zweiphasigen Immersionskühlung hemmt zudem die Wärmeausbreitung im thermoplastischen Verbundmaterial des Akkus, während die Wärme bis zu 30 °C an die Umgebung abgegeben wird. Der thermische Zyklus ist reversibel und ermöglicht so ein effizientes Aufheizen des Akkus auch bei kalten Umgebungsbedingungen. Die Nutzung des Siedeverfahrens gewährleistet eine konstant hohe Wärmeübertragung ohne Kollaps der Dampfblasen und die damit verbundenen Kavitationsschäden.
Beim direkten Zweiphasen-Immersionskühlkonzept von Kautex steht die Kühlflüssigkeit in direktem Kontakt mit den Batteriezellen im Batteriegehäuse. Dies entspricht einem Verdampfer in einem Kältemittelkreislauf. Durch das Eintauchen der Zellen wird die Zelloberfläche optimal für den Wärmeaustausch genutzt, während die kontinuierliche Verdampfung der Kühlflüssigkeit (Phasenwechsel) eine maximale Temperaturhomogenität gewährleistet. Die schematische Darstellung ist in Abbildung 2 zu sehen.
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. Wenn Batteriegehäuse und Batterieträger aus demselben Material bestehen, können sie für strukturelle Stabilität miteinander verschweißt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Verkapselungsmaterialien, und der Recyclingprozess wird vereinfacht.
Studien haben gezeigt, dass ein zweiphasiges Immersionskühlverfahren mit SF33-Kühlmittel eine überlegene Wärmeabfuhr bei Batterien ermöglicht. Dieses System hielt die Batterietemperaturen unter allen Testbedingungen im Bereich von 34–35 °C und demonstrierte damit eine hervorragende Temperaturhomogenität. Kühlmittel wie SF33 sind mit den meisten Metallen, Kunststoffen und Elastomeren kompatibel und schädigen thermoplastische Batteriegehäusematerialien nicht.
Abb. 3 Experiment zur Messung der Wärmeübertragung im Akkupack [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 Zweiphasen-Immersionskühlsystem sehr effektiv bei der Aufrechterhaltung der Batteriezellentemperatur war.
Insgesamt bietet das zweiphasige Tauchkühlsystem eine effiziente und gleichmäßige Batteriekühlungslösung für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen, die Energiespeicherung erfordern, was zur Verbesserung der Batterielebensdauer und -sicherheit beiträgt.
Veröffentlichungsdatum: 14. Oktober 2024