How Batteries Live Long In Electric Vehicles

Wie die Batterie im Elektrofahrzeug lange lebt

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In der Elektromobilität ist die Batterie ein wesentlicher Diskussionspunkt. Durch den Energiespeicher werden beispielsweise Leistung, Reichweite, Ladezeit und Wartung eines Elektrofahrzeugs maßgeblich bestimmt. Dabei spielt die Temperatur der Batterie eine große Rolle. Welchen Einfluss auf diese Kriterien hat daher die thermische Belastung, die auf die Batterie einwirkt?

Die große Herausforderung ist die gleichmäßige Temperatur aller Einzelzellen in der Batterie.

Um diese Frage beantworten zu können, bedienen wir uns eines praktischen Beispiels: Batteriepacks mit einem internen Flüssigkeitskühlsystem. Die Spezifikation dafür stammt von einem großen Automobilhersteller. Wir vom Team Forschung & Entwicklung der NORMA Group konnten dabei Anforderungen erkennen, die entscheidend für die Auslegung der Leitungssysteme innerhalb flüssigkeitsgekühlter Batterien sind.

Das Kühlsystem dient auch zum Heizen

Doch das Grundlegende zuerst. Das Kühlsystem in einer Batterie dient nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen. Wenn man morgens beim Kaltstart im Winter die volle Leistung des Elektrofahrzeuges zur Verfügung haben will, muss die Batterie vorkonditioniert sein. Das heißt, die Zellen müssen dann eine Mindesttemperatur haben.

Dies geschieht, indem das Kühlmedium in der Batterie elektrisch aufgewärmt wird – während das kalte Fahrzeug am Stromnetz aufgeladen wird. Sollte das Aufwärmen vorab nicht erfolgt sein, wird die Leistung des Fahrzeuges elektronisch reduziert, um die Batterie nicht zu schädigen.

Charge and Discharge of Lithium-Ion Battery.

In der Spezifikation wird für die Lebensdauer der Batterie ein Temperatur-Zeit-Profil definiert. Der Arbeitsbereich der Batterie bewegt sich dabei zwischen 35 und 57 Grad Celsius. Ein Betrieb oberhalb oder unterhalb dieser Temperatur verkürzt die Lebensdauer der Batterie. Um die Temperatur zu kontrollieren, ist an jeder Einzelzelle ein Wärmetauscher angebracht. Dabei werden durch Flüssigkeit Wärme abgeführt und zugeführt.

Nach dem Temperatur-Zeit-Profil wird die Batterie die überwiegende Zeit in einem Temperaturbereich zwischen 50 und 55 Grad Celsius betrieben. Dies zeigt, dass nicht die hohen Temperaturen für das Kühlsystem im Elektrofahrzeug die große Herausforderung sind. Vielmehr wird deutlich: Die gleichmäßige Temperatur aller Einzelzellen im Batteriepack ist ein wesentliches Kriterium für eine gleichlange Lebensdauer der Zellen im Batteriepack.

How Batteries Live Long In Electric Vehicles

Im Hinblick auf das Leitungssystem bedeutet dies: Das Kühlmedium muss bedarfsgerecht auf alle Zellen verteilt werden. Die Durchflussmengen müssen somit individuell an den Aufbau der Batterie angepasst werden. Als Resultat dürfen im Betrieb die Temperaturen am Kühlmittelablauf jeder Einzelzelle lediglich 2 Grad Celsius voneinander abweichen.

Auch beim Ladevorgang fällt dem Kühlsystem eine wichtige Aufgabe zu. Dabei muss entstehende Wärme effektiv abgeführt werden, um zu verhindern, dass die Batteriezellen überhitzen und beschädigt werden. Übersteigt die Temperatur 55 Grad Celsius, muss der Ladestrom verringert werden. Der Ladevorgang dauert dann länger.

Wie lässt sich eine Schnellladung ausführen?

Wie lässt sich eine Schnellladung ausführen? Dazu gibt es aktuelle Denkansätze. So sollten beispielsweise die Batterien vor dem Laden auf die niedrigste zulässige Temperatur gekühlt werden. Die Energie ist dadurch noch schneller in die Batterie zu bekommen. Damit verkürzt sich die Ladezeit für die Batterie. Auch dabei wird der Einfluss des Kühlsystems deutlich.

Zusätzliche wichtige Randbedingungen sind geringes Gewicht, geringer Platzbedarf und die Möglichkeit, angepasste, komplexe Leitungssysteme zu erstellen. Das Angebot ganzer Kühlsysteme für diese Batteriepacks stellt zukünftig ein breites Anwendungsgebiet für die NORMA Group dar.

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