Elektrisch betriebene Pkw gibt es schon seit ca. 100 Jahren, doch erst in den vergangenen 20 Jahren hat die Entwicklung hier große Fortschritte gemacht. Einen wichtigen Anteil daran hat die Batterie, deren Leistung und Energiedichte von Jahr zu Jahr zunimmt. Damit geht bei den heutigen Betriebsanforderungen und den im Einsatz befindlichen Zellchemien auch eine höhere Temperaturbelastung einher. Diese Beanspruchung kann – bei unzureichendem Thermomanagement – einen signifikanten Einfluss auf Leistung und Lebensdauer einer Batterie haben. Gentherm hat ein neuartiges thermoelektrisches Kühlsystem entwickelt, das die Batterie sowohl in einer kalten, als auch in einer warmen Umgebung und bei hoher Belastung im optimalen Temperaturbereich hält.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal Ausgabe 05/2018 erschienen

Batterietechnologien: Rückblick

Ein Jahrhundert ist es nun her, dass vollelektrische Fahrzeuge gang und gäbe waren und von zahlreichen Herstellern sowohl in kleinen, als auch in größeren Stückzahlen produziert wurden, darunter beispielsweise das Model P1, entwickelt von Ferdinand Porsche im Jahr 1898 und ein Mercedes Benz im Jahr 1906. Diese frühen Elektroautos verwendeten Bleisäurebatterien, was zur damaligen Zeit die gebräuchlichste Batterietechnologie war. Zwar waren sie wuchtig und verfügten über eine geringe Energiedichte, aber sie funktionierten zuverlässig. Da sie über große thermische Speichermasse verfügten und aus speziellem chemischen Material gefertigt waren, kamen sie mit hohen Temperaturschwankungen gut zurecht, ohne beträchtliche Materialschäden davonzutragen.

Die Geburtsstunde des Model T, entwickelt von Henry Ford, markierte aber das Aus für die Produktion von Elektrofahrzeugen. Die Verkaufszahlen sanken im Jahr 1913 auf 6.000 Stück, wohingegen die Produktion des Model T von Ford auf 183.000 Stück hochschnellte. Batteriebetriebene Fahrzeuge (Hybrid- und Elektroautos) verschwanden für die nächsten 85 Jahre vom Markt. Mit dem GM EV-1 oder dem Honda EV Plus wurden zwar in den späten 1990er-Jahren gering-volumige Modelle vollelektrischer Fahrzeuge auf dem Markt eingeführt, allerdings kam es erst im Jahr 1997 zu einer flächendeckenden Einführung von batteriebetriebenen Fahrzeugen. So zum Beispiel mit dem Toyota Prius und dem Audi Avant EV, die auch gleichzeitig die Markteinführung der Hybridfahrzeuge bedeuteten. Im Toyota Prius wurde ein Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH), im Audi Avant hingegen ein Blei-Gel-Akku verbaut. Der Nickel-Metallhydrid-Akku hat entscheidende Vorteile gegenüber dem Blei-Gel-Akku, da er in einem größeren Temperaturspektrum arbeitet – und das wiederum ermöglicht eine Kühlung des Akkus mit Umgebungsluft, also beispielsweise mit einem Lüfter.

Batterietechnologien Gegenwart

Heutzutage werden jedoch sowohl für die Akkus von vollelektrischen als auch von Hybridfahrzeugen Lithium-Ionen-Akkus verwendet. Diese Entscheidung wird von konstant sinkenden Preisen und den deutlich erkennbaren Vorteilen des Lithium-Ionen-Akkus gegenüber allen anderen Batterietechnologien getrieben. Aber: Lithium-Ionen-Akkus sind deutlich empfindlicher, was große Temperaturunterschiede angeht. In Arizona (USA) konnten Besitzer von Elektrofahrzeugen dies leidvoll erfahren. In der Wüste, wo die Durchschnittstemperatur der Luft bis zu 45 °C und die Temperatur unter der Motorhaube bis zu 80 °C erreichen kann, mussten sie feststellen, dass die Reichweite ihrer Fahrzeuge nur halb so hoch war wie die ihrer Nachbarn, in den kühleren Nordstaaten. Der Hersteller des Fahrzeugs hatte sich für das Kühlen mit Umgebungsluft, sprich mit Lüftern, entschieden. Andere OEMs hingen arbeiten im Gegensatz dazu mit einem System, das Flüssigkeit zum Kühlen der Lithium-Ionen-Akkus verwendet.

Thermoelektrische Systeme

Aber auch diese flüssigbasierten Systeme haben ihre Grenzen: Je nach Temperatur der Flüssigkeit, braucht das System einen Impuls, den die Thermoelektrik liefern kann. Bei einem klassischen Hybridfahrzeug kann das Kühlwasser durchaus 65 °C erreichen, was die Lebensdauer eines Lithium-Ionen- Akkus auf Dauer beeinträchtigt. Thermoelektrische Systeme können hier Abhilfe schaffen und die Temperatur auf 45 - 50 °C senken und damit die Lebensdauer des Akkus um ein Vielfaches verlängern sowie die Reichweite deutlich erhöhen. Auch mit Kompressors-Systemen kann aktiv gekühlt werden, allerdings wird das Kühlsystem dadurch komplexer und kostspieliger.

Thermoelektrische Systeme sind dagegen kompakt, ohne mechanische Bauteile und können spezifisch an unterschiedliche Kühlparameter angepasst werden (zum Beispiel, wenn eine variable Kühlung innerhalb verschiedener Zonen der Batterie benötigt wird). Sie lassen sich leichter in den Akku integrieren und können zusätzlich zum Kühlen auch Heizen, was entscheidend für eine einwandfreie Funktion des Lithium-Ionen-Akkus bei geringen Umgebungstemperaturen ist. Denn auch bei niedrigen Temperaturen haben Lithium-Ionen-Akkus eine geringere Leistung. Bei optimaler Integration ermöglichen thermoelektrische Systeme eine adäquate Kühlung des Akkus und wiegen aufgrund der höheren Effizienz viele Vorteile der konventionellen Kompressor-Systeme auf (siehe Bild 1).

 

Klimatisierung Batterie Gentherm

Bild 1: Zellgenaue Klimatisierung der Batterie © Gentherm

 

Heutzutage erstreckt sich das Spektrum der Elektrofahrzeuge von Mikrohybriden bis hin zu vollelektrischen Autos. In zahlreichen in der Entwicklung befindlichen Bordnetz-Architekturen für Mikrohybride mit Start-Stopp-Automatik arbeiten relativ kleine 12- oder 48-Volt-Lithium-Ionen-Akkus. Sie laden gleichzeitig den Bleisäure-Akku und versorgen die Nebenverbraucher mit Energie. Je nach Systemkonfiguration und Testmethode können diese Mikrohybrid-Antriebe die Treibstoffeffizienz um 10 - 15 % erhöhen. Im Rahmen der Möglichkeiten der heutigen Batterietechnologien, bietet der Mikrohybrid-Antrieb das beste Preis-Leistungsverhältnis in der Klasse der Elektrofahrzeuge. Einer der Hauptfaktoren für die Marktfähigkeit der Mikro-Hybrid-Technologie ist aber die Performance des Lithium-Ionen-Akkus. Gemeint ist damit die Leistungsfähigkeit bei unterschiedlichsten Temperaturbedingungen, aber auch die Lebensdauer des Akkus ganz allgemein.

Die ideale Arbeitstemperatur des Lithium-Ionen-Akkus ähnelt der des Menschen, denn er funktioniert am besten bei Temperaturen zwischen +15 und +35 °C. Muss er längere Zeit unter zu geringen Temperaturen arbeiten, so verringert sich die Lade- und Leistungskapazität. Ist er hingegen einer Überhitzung ausgesetzt, altert er vorzeitig. Schon bei einer Temperaturabweichung von 10 - 15 °C verringert sich seine Lebensdauer um 30 - 50 %. Da diese beiden Faktoren die Wirtschaftlichkeit des Akkus beeinträchtigen, sollte er also unter möglichst gleichbleibenden Temperaturbedingungen betrieben werden. Und zusätzlich dazu sollten die thermischen Schwankungen sowohl des gesamten Akkus, als auch die Schwankungen innerhalb der einzelnen Zellen auf ein Minimum reduziert werden. Bereits Temperaturunterschiede der Zellen von 5 °C führen zu einem schnelleren Alterungsprozess von 20 - 25 %.

 

Konzept thermoelektrische Kühlplatte

Bild 2: Konzept einer thermoelektrischen Kühlplatte für eine 48-V-Lithium-Ionen-Batterie © Gentherm

 

Nun besteht in der Automobilindustrie aber nicht nur eine Tendenz hin zur kompletten Elektrifizierung der Fahrzeuge, sondern auch der Wunsch, Kühlmittel zu reduzieren oder ganz auf jene zu verzichten, die zur Erderwärmung beitragen, wenn sie in die Atmosphäre gelangt sind. Thermoelektrische Systeme kommen einer Ideallösung sehr nahe, denn sie bieten schnelle und präzise thermische Kontrolle, ohne dass Fluorkohlenwasserstoffe eingesetzt werden müssen. Man könnte also sagen, die Kühlflüssigkeit in thermoelektronischen Systemen sind Elektronen – und somit ein sauberer, moderner Weg zur Temperaturkontrolle. Darüber hinaus sind sie gut geeignet für das Temperatur-Management in Mikrohybrid-Systemen.

Die wichtigsten Eigenschaften der thermoelektrisch basierten Systeme

+ Skalierbarkeit

Thermoelektrische Systeme können mit einer Spanne von 5 - 10 Watt Wärmebelastung (typisch für eine ein-prismatische oder großzylindrische Zelle) bis hin zu 100 - 200 Watt arbeiten (typisch für einen Akku mit Start-Stopp-Automatik).

+ Einsatzgebiet

Ein einziger Systemaufbau kann nicht nur für das Kühlen von Batterien, sondern auch für das Beheizen bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden => Sicherstellung der geforderten Lade- & Entladeleistung.

+ Zuverlässigkeit

Thermoelektrische Systeme wurden ursprünglich für Anwendungen der Luft- und Raumfahrt entwickelt, haben sich aber auch in der Automobilbranche bewährt und werden bereits in Millionen Autos für das Klimatisieren von Sitzen eingesetzt. Allerdings muss bei der Entwicklung bedacht werden, dass thermoelektrische Systeme eine geringere Kühlleistung haben als kühlmittelbasierte Systeme. Somit zählt jedes noch so kleine thermospezifische Detail. Es müssen sämtliche Barrieren eliminiert werden, die den Wärmefluss unterbrechen könnten und eventuell unbeabsichtigte Lücken in der Isolation geschlossen werden. Denn nur eine enge Verzahnung von Akku, elektromechanischem System sowie thermoelektrischem Temperaturmanagement garantiert ein Komplettsystem, das eine optimale Leistung im automobilen Umfeld bietet.

Fazit

Moderne Elektrofahrzeuge benötigen Batteriesysteme, die bei einer hohen Leistungsdichte und teilweise starken thermischen Beanspruchungen eine lange Lebensdauer gewährleisten sollen. Hierfür hat Gentherm ein Kühlsystem entwickelt, welches mittels thermoelektrischer Technologie das Temperaturmanagement optimal umsetzt.

 

  • Holger Hildsberg Gentherm

    Autor

    Dipl. Ing. Holger Hildsberg

    Key Account Manager, Director Sales, W.E.T., Gentherm Gmbh; Odelzhausen
    Director Business Development & Marketing Europe,Gentherm Gmbh; Odelzhausen

 

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