Die Batteriesicherheit in Elektrofahrzeugen (EVs) und Energiespeichersystemen (ESS) schaltet die heißeste Zelle und die Temperaturverteilung zwischen den Zellen ein. Lithium-Ionen-Zellen verlieren oberhalb ihres Auslegungsbereichs schnell an Lebensdauer, und sobald die lokale Wärme die Ableitung übersteigt, können sie in einen kritischen Zustand geraten. thermisches Durchgehen. Die eigentliche Aufgabe eines Wärmemanagementsystems besteht daher darin, die Temperatur jeder Zelle in einem engen Bereich zu halten. In der Fachliteratur zum Wärmemanagement von Batterien wird häufig ein Zielwert für die Zelltemperatur von etwa 15–45 °C angegeben, wobei die Temperaturstreuung zwischen den einzelnen Zellen unter etwa 5 °C liegen sollte. Flüssigkeitskühlung Die direkte Kühlung hat sich als gängige Methode etabliert, um beide Ziele bei Hochleistungsakkus zu erreichen. Die relevanten Änderungen betreffen weniger das Kühlmittel selbst, sondern vielmehr die Art und Weise, wie die Wärme von der Zelle in das Kühlmittel abgeleitet wird. Dieser Artikel behandelt indirekte und direkte Kühlung, Kühlplatten- und Kanaldesign, Phasenwechselmaterialien als Puffer und Bereiche, in denen der Ansatz noch mehr Kosten als Nutzen bringt. Die Qualifizierung der Kühlmittelchemie und das Design von Hochspannungsisolationen werden nicht behandelt.
Warum Batterietemperaturgrenzen die Sicherheit des Akkus bestimmen
Die Sicherheitsmarge eines Lithium-Ionen-Akkus wird durch die heißeste Zelle und die Temperaturverteilung zwischen den Zellen bestimmt. Ein niedriger Durchschnittswert des Akkus kann daher eine Zelle verbergen, die sich nahe ihrer Belastungsgrenze befindet. Eine Zelle, die sich nahe der oberen Grenze ihres Temperaturfensters befindet, altert schneller und nähert sich der exothermen Durchschlagstemperatur. Bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung im Akku kann eine einzelne Zelle diesen Punkt erreichen, während der Durchschnittswert noch normal erscheint. Aus diesem Grund messen Ingenieure mehrere Zellen innerhalb eines Moduls und interpretieren einen niedrigen Durchschnittswert als unvollständiges Signal. Überhitzung ist ebenso sehr ein Problem der Gleichmäßigkeit wie der Wärmeabfuhr, und die Einrahmung ist der Hauptgrund dafür. effektives Wärmemanagement Es geht um die Sicherheit der Verpackung.
Bei stationären Speichern muss die Sicherheitsberechnung auch den Ausfall einer Zelle berücksichtigen. Gemäß UL 9540A, dem nordamerikanischen Prüfverfahren für die Ausbreitung von thermischen Bränden in Batteriespeichersystemen, wird ein System hinsichtlich der Ausbreitung eines einzelnen Zellereignisses auf benachbarte Zellen bewertet. Der Test misst außerdem die vom Modul freigesetzte Wärme- und Gasmenge. Aus technischer Sicht – und nicht als UL-Anforderung – wirft die Betrachtung einer Kühlarchitektur unter diesem Gesichtspunkt die Frage der Wärmeausbreitung auf: Leitet die Konstruktion die Zellwärme kontrolliert ab, anstatt dass sich die Zellen gegenseitig aufheizen?.
Die Rolle der Flüssigkeitskühlung für die Batteriesicherheit
Flüssigkeitskühlung reguliert die Zelltemperatur schneller und gleichmäßiger als Luftkühlung, da eine Flüssigkeit bei gleicher Masse deutlich mehr Wärme transportieren kann. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser liegt bei etwa 4,18 kJ/kg·K, die von Luft hingegen bei etwa 1,0 kJ/kg·K. Ein moderater Kühlmittelstrom kann daher einen Lade- oder Entladeimpuls absorbieren, den eine Druckluftkühlung über den gesamten Akku verteilen würde. Wie viel von diesem Impuls tatsächlich abgeführt wird, hängt von der Durchflussrate, der Wärmetauscherfläche und der Auslegung des Kühlkreislaufs ab, nicht allein von der Wärmekapazität des Kühlmittels. Die Nachteile sind die zusätzliche Masse, die Abdichtung und der Pumpenantrieb. Daher eignet sich Flüssigkeitskühlung für Akkus, deren thermische Belastung dies rechtfertigt.
Indirekte vs. direkte Flüssigkeitskühlung
Die erste architektonische Entscheidung betrifft den Kontakt des Kühlmittels mit den Zellen und hängt von dessen elektrischen Eigenschaften ab. Bei indirekter Kühlung verbleibt das Kühlmittel innerhalb von Kühlplatten, Rohren oder Kühlmänteln. Ein Wasser-Glykol-Gemisch eignet sich hierfür, da es nicht mit stromführenden Anschlüssen in Berührung kommt. Bei dieser Kühlmittelwahl müssen jedoch Gefrierpunkt, Korrosionsbeständigkeit und Materialverträglichkeit mit dem Kühlkreislauf berücksichtigt werden. Die direkte Kühlung, auch Immersionskühlung genannt, taucht die Zellen in eine validierte dielektrische Flüssigkeit ein, um den Wärmewiderstand zwischen Zelle und Platte zu eliminieren. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Kühlung, erhöht aber gleichzeitig die Kosten für Flüssigkeit, Abdichtung und Wartung. Reines Wasser ist weder für Immersionskühlung noch für zellnahe Leckagepfade geeignet, da seine Leitfähigkeit Kurzschlüsse in den Zellen verursachen würde.
Bei indirekter Kühlung trägt die Grenzfläche zwischen Zelle und Platte oft den größten Wärmewiderstand. Daher können die Wahl des Füllmaterials, die Oberflächenebenheit und die Spannungen bei der Montage die Temperatur des Akkupacks ebenso stark beeinflussen wie der Durchfluss. Wenn die Gleichmäßigkeit nicht den Zielwerten entspricht, ist die Grenzfläche ein sinnvoller erster Ansatzpunkt. Direkte Kühlung beseitigt diese Grenzfläche, erfordert aber zusätzliche Maßnahmen zur Fluidverträglichkeit und Wartung. Welcher Weg der richtige ist, hängt vom Betriebszyklus, der Gehäusekonstruktion und der für ein Projekt akzeptablen Wartungsfreundlichkeit ab. Viele Akkupacks für Elektrofahrzeuge verwenden indirekte Kühlung. Kühlplattenkühlung aus Gründen der Zuverlässigkeit und Passgenauigkeit, während das Eintauchen eher bei Hochleistungs- und Spezial-ESS-Fällen zum Einsatz kommt.
Designentscheidungen für Kühlplatten und Kanäle zur Wärmeableitung
Die Geometrie von Kanälen und Kühlplatten bietet ein großes Entwicklungspotenzial für Flüssigkeitskühlung. Kanalanordnung, Querschnitt und die Aufteilung des Durchflusses über die Platte bestimmen sowohl die Temperaturhomogenität als auch den Druckabfall, den die Pumpe überwinden muss. Beide Faktoren wirken einander entgegen: Eine Geometrie, die die Zelltemperatur senkt, erhöht tendenziell die Pumpenlast. Eine praktikable Kühlplattenkonstruktion Daher wird für den jeweiligen Betriebspunkt die Gleichmäßigkeit gegen den parasitären Leistungsverbrauch abgewogen. Der Verifizierungsschritt ist konkret: Die Temperaturverteilung über die Platte wird bei maximaler Last erfasst, und anschließend wird überprüft, ob der Druckabfall weiterhin der Pumpenkennlinie entspricht.
Die Grenzfläche zwischen Platte und Zelle verdient die gleiche Aufmerksamkeit, da sie jedes Watt überträgt, das die Platte abführt. Ein Wärmeleitmaterial füllt die mikroskopisch kleinen Spalten zwischen Zelle und Platte. Seine Leitfähigkeit, Dicke und Toleranz gegenüber Fertigungstoleranzen bestimmen, wie viel der Wärmekapazität der Platte die Zelle erreicht. Die Auswahl dieses Materials anhand von Spaltbreite, Aushärtungsverhalten und Haftungsanforderungen muss in die Entscheidung über die Kühlung einfließen, nicht erst im Nachhinein.
PCM als thermischer Puffer in flüssigkeitsgekühlten Akkus
Phasenwechselmaterialien (PCM) verlängern die Zeit bis zum Erreichen einer thermischen Spitzenlast, indem sie beim Schmelzen Wärme bei nahezu konstanter Temperatur absorbieren. Zwischen den Zellen platziert, nimmt ein PCM bei Lastspitzen latente Wärme auf und gibt sie später wieder ab. Dadurch werden kurze Lastspitzen ausgeglichen, die den Flüssigkeitskreislauf sonst an seine Grenzen bringen würden. Da PCM selbst Wärme schlecht leitet und schließlich gesättigt ist, wird es mit einem aktiven Kreislauf kombiniert, anstatt diesen zu ersetzen. Einige Hybridkonstruktionen mit PCM und Flüssigkeit weisen eine geringere Pumpenleistung auf, da das PCM Lastspitzen abfängt, während der Kreislauf die konstante Last bewältigt. Das Ausmaß dieses Vorteils hängt von der Konstruktion und dem Betriebszyklus ab und sollte für die jeweilige Anwendung überprüft werden.
Flüssigkeitskühlung in Serien-Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen
Die Flüssigkeitskühlung auf Akkupack-Ebene erreichte die breite Masse der Elektrofahrzeuge, bevor sie zum Standard wurde, und ihre Anwendung in der Serienproduktion bewies ihre Leistungsfähigkeit im großen Maßstab. Frühe Elektrofahrzeuge mit hohen Stückzahlen nutzten die Zirkulation von Kühlmittel durch den Akkupack, um die Zelltemperatur während des Ladevorgangs und unter Dauerlast konstant zu halten. Vergleichbare indirekte Kreisläufe wurden später in hochenergetischen Elektrofahrzeugen und netzgebundenen Energiespeichersystemen üblich. Das Gesamtkonzept ist wichtiger als ein einzelnes Modell. Sobald Akkupacks eine bestimmte Leistungs- und Energiedichte überschritten, reichte die Luftkühlung nicht mehr aus, um die Temperaturdifferenz zwischen den Zellen zu regulieren, und Flüssigkeitskreisläufe wurden zum praktischen Standard für Leistung und Sicherheit in dieser Klasse.
Wie Trumonytechs die Kühlung von Akkupacks angeht
Trumonytechs arbeitet im Wärmepfad zwischen Zelle und Kühlmittel und liefert Flüssigkühlplatten und Wärmeleitmaterialien, die zwischen den Zellen und dem Kühlkreislauf platziert werden. Dies sind die beiden Produktfamilien, die das Unternehmen für diesen Bereich anbietet. Generell gilt für die Konstruktion: Kühlplatte und Wärmeleitmaterial wirken zusammen. Die Anpassung der Plattengeometrie an das Zellformat und die Auswahl eines geeigneten Wärmeleitmaterials für den jeweiligen Spalt und die Montageart optimieren die Wärmeleitfähigkeit, die üblicherweise die Leistung indirekter Konstruktionen begrenzt. Konkret bedeutet dies: Die Kühlplattenarchitektur wird für zylindrische, prismatische oder Pouch-Zellen ausgewählt, und die Wärmeleitmaterialien werden anhand von Spalt, Aushärtung und Haftungsanforderungen spezifiziert. Hersteller von Kühlakkumulatoren, die diese Variablen im Hinblick auf den Betriebszyklus abwägen, können die optimale Kombination aus Kühlplatte und Wärmeleitmaterial mit unseren Lösungen ermitteln. Designteam.
Kosten-, Komplexitäts- und Integrationsgrenzen der Flüssigkeitskühlung
Flüssigkeitskühlung ist dort sinnvoll, wo die Wärmelast ihren Kostenaufwand, ihre Masse und den Integrationsaufwand rechtfertigt. Ein Kreislauf erfordert Pumpen, Dichtungen, Kühlmittel und birgt Fehlerquellen, die bei Luftkühlung vermieden werden. Die Integration in ein für eine andere Methode konzipiertes System ist oft die größte Herausforderung. Die praktikable Vorgehensweise ist, das System entsprechend dem Arbeitszyklus zu dimensionieren: Zuerst werden die maximale Wärmelast und die erforderliche Zell-zu-Zellen-Abstände ermittelt, dann wird die einfachste Architektur gewählt, die diese Anforderungen erfüllt. Bei Energiespeichersystemen (ESS) muss neben der Dimensionierung auch der Wärmeausbreitungswiderstand berücksichtigt werden, da… Verhinderung eines thermischen Durchgehens in einem BESS ist eine Aufgabe auf Systemebene, die der Kühlpfad unterstützt, aber nicht von selbst bewältigt.
Schlussfolgerung
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass die eigentlichen Vorteile der Flüssigkeitskühlung im Wärmepfad liegen und die Sicherheit des Akkupacks stärker von der Streuung der Kühlleistung zwischen den Zellen als vom Durchschnittswert abhängt. Die Architektur sollte anhand der Frage gewählt werden, ob Kühlmittel die Zellen berühren muss. Die Grenzfläche zwischen Platte und Zelle ist dann die Variable, die die Gleichmäßigkeit in einem indirekten Design am häufigsten begrenzt. Phasenwechselmaterial (PCM) puffert zwar Temperaturschwankungen, ersetzt aber keinen aktiven Kühlkreislauf. Immersionskühlung erzielt zwar Gleichmäßigkeit, erfordert aber mehr Kühlflüssigkeit und Wartungsaufwand. Der häufigste Fehler bei realen Akkupacks ist die Optimierung des Durchschnittswerts unter Vernachlässigung der Streuung, die jedoch die Alterung und die Sicherheitsmarge bestimmt.
FAQ
Warum ist Flüssigkeitskühlung bei Akkus effektiver als Luftkühlung?
Flüssigkeitskühlung sorgt für eine gleichmäßigere Wärmeverteilung zwischen den Zellen, da eine Flüssigkeit bei gleicher Masse deutlich mehr Wärme transportieren kann als Luft. Mit einer spezifischen Wärmekapazität nahe der von Wasser absorbiert der Kühlmittelstrom Lade- und Entladespitzen, die durch Luftzirkulation im gesamten Akku verteilt würden. Wie viel Wärme abgeführt wird, hängt von Durchflussrate, Wärmetauscherfläche und Kreislaufdesign ab. Die zusätzlichen Kosten – Masse, Abdichtung und Pumpe – machen diese Methode vor allem für Hochleistungsakkus geeignet.
Worin besteht der Unterschied zwischen indirekter und direkter Flüssigkeitskühlung?
Der Unterschied liegt darin, ob das Kühlmittel die Zellen berührt, was durch die Leitfähigkeit des Kühlmittels bestimmt wird. Bei der indirekten Kühlung wird ein Wasser-Glykol-Kühlmittel in Kühlplatten oder -rohren gehalten, sodass es nicht mit den Anschlüssen in Berührung kommt. Bei der direkten Immersionskühlung werden die Zellen in eine validierte dielektrische Flüssigkeit eingetaucht, um den Widerstand zwischen Zelle und Platte zu eliminieren. Indirekte Kühlverfahren sind aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und der guten Gehäusekompatibilität weit verbreitet; Immersionskühlungen hingegen bieten eine höhere Gleichmäßigkeit, da sie höhere Kosten für Kühlflüssigkeit und Dichtungen verursachen.
Welche Rolle spielen Phasenwechselmaterialien in einem flüssigkeitsgekühlten Packungssystem?
Phasenwechselmaterialien (PCM) fungieren als Wärmepuffer und nehmen während Lastspitzen latente Wärme bei nahezu konstanter Temperatur auf. Dadurch werden kurze Lastspitzen ausgeglichen, sodass der Kühlkreislauf nicht an seine Leistungsgrenze stößt. Die gespeicherte Wärme wird später bei sinkender Last wieder abgegeben. Da PCM Wärme schlecht leitet und sich mit der Zeit sättigt, ergänzt es die Flüssigkeitskühlung, anstatt sie zu ersetzen.
Lässt sich ein Flüssigkeitskühlsystem an ein bestimmtes Elektrofahrzeug oder Energiespeichersystem anpassen?
Ja. Kühlmittel, Kanalanordnung, Geometrie der Kühlplatte und Schnittstellenmaterial werden alle auf das Zellenformat und die Wärmelast des Packs abgestimmt. Die wichtigsten Variablen sind die Zell-Platten-Schnittstelle und das Verhältnis zwischen Temperaturhomogenität und Pumpendruckverlust. Die Abstimmung dieser Parameter auf den Betriebszyklus sorgt dafür, dass ein System optimal zu einem bestimmten Pack passt.
Weiterführende Literatur
- UL 9540A Prüfverfahren für Batteriespeichersysteme — UL Solutions (Standard). Definiert, wie die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens in Batteriespeichersystemen auf Zellen-, Modul- und Installationsebene bewertet wird; unterstützt den Ausbreitungswiderstandspunkt für stationäre Speicher.
- Fortschritte und Herausforderungen bei den Batteriethermomanagementsystemen von Elektrofahrzeugen — Peer-Review-Review (PMC). Hintergrundinformationen zu passiven, aktiven und hybriden BTMS-Strategien und den oben genannten Zielen der Temperaturhomogenität.
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