Batterieträger aus thermoplastischem Verbundwerkstoff werden zu einer Schlüsseltechnologie im Bereich der neuen Energiefahrzeuge. Solche Schalen vereinen viele der Vorteile thermoplastischer Materialien, darunter geringes Gewicht, überlegene Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Designflexibilität und hervorragende mechanische Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Gewährleistung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Batterieträgern. Darüber hinaus spielt das Kühlsystem in einem thermoplastischen Batteriesatz eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Batterieleistung, der Verlängerung ihrer Lebensdauer und der Gewährleistung eines sicheren Betriebs. Ein effektives Wärmemanagementsystem sorgt dafür, dass die Batterie unter allen Betriebsbedingungen im gewünschten Temperaturbereich gehalten wird und erhöht so die Effizienz und Sicherheit der Batterie.
Als Basistechnologie für schnelles Laden demonstriert Kautex die Umsetzung der zweiphasigen Tauchkühlung, bei der die Traktionszelle als Verdampfer im Kühlprozess eingesetzt wird. Durch die zweiphasige Tauchkühlung wird eine extrem hohe Wärmeübertragungsrate von 3400 W/m^2*K erreicht und gleichzeitig die Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb des Batteriepakets bei optimaler Batteriebetriebstemperatur maximiert. Dadurch kann das Batterie-Thermomanagementsystem thermische Belastungen bei Laderaten über 6 °C sicher und dauerhaft bewältigen. Die Kühlleistung der Zweiphasen-Tauchkühlung kann auch die Wärmeausbreitung innerhalb der Batteriehülle aus thermoplastischem Verbundwerkstoff erfolgreich verhindern, während die eingeführte Zweiphasen-Tauchkühlung die Wärme bis zu 30 °C an die Umgebung abgibt. Der thermische Zyklus 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 nachfolgende Kavitationsschäden.
Beim direkten Zweiphasen-Tauchkühlungskonzept von Kautex steht die Flüssigkeit im Inneren des Batteriegehäuses in direktem Kontakt mit den Batteriezellen, was einem Verdampfer in einem Kältemittelkreislauf entspricht. Das Eintauchen in die Zelle maximiert die Nutzung der Zelloberfläche für die Wärmeübertragung, während die ständige Verdampfung der Flüssigkeit, dh der Phasenwechsel, eine maximale Temperaturgleichmäßigkeit gewährleistet. Das Schema ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abb. 2 Funktionsprinzip der zweiphasigen Tauchkühlung
Die Idee, alle notwendigen Komponenten zur Flüssigkeitsverteilung direkt in eine thermoplastische, nicht leitende Batteriehülle zu integrieren, verspricht einen nachhaltigen Ansatz. Wenn das Batteriegehäuse und der Batterieträger aus dem gleichen Material bestehen, können sie für strukturelle Stabilität miteinander verschweißt werden, während gleichzeitig die Notwendigkeit von Verkapselungsmaterialien entfällt und der Recyclingprozess vereinfacht wird.
Studien haben gezeigt, dass eine zweiphasige Tauchkühlungsmethode mit SF33-Kühlmittel eine überlegene Wärmeableitungsfähigkeit bei der Übertragung von Batteriewärme aufweist. Dieses System hielt die Batterietemperaturen unter allen Testbedingungen im Bereich von 34–35 °C und zeigte eine hervorragende Temperaturgleichmäßigkeit. Kühlmittel wie SF33 sind mit den meisten Metallen, Kunststoffen und Elastomeren kompatibel und beschädigen thermoplastische Batteriegehäusematerialien nicht.
Abb. 3 Experiment zur Wärmeübertragungsmessung des Batteriepacks [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 Tauchkühlsystem die Batteriezellentemperatur sehr effektiv aufrechterhielt.
Insgesamt bietet das zweiphasige Tauchkühlsystem eine effiziente und gleichmäßige Batteriekühllösung für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen, die eine Energiespeicherung erfordern, was zur Verbesserung der Batterielebensdauer und -sicherheit beiträgt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. Okt. 2024