Batteriekühlung von Elektrofahrzeugen – Erklärung und Aufbau
Das Thermomanagement hat in einem HV-System bekanntlich die Aufgabe, bestimmte HV-Komponenten im jeweils optimalen Temperaturbereich zu betreiben. Bei der Lithium-Ionen-Batterie liegt der zwischen 15 und 30 °C. Neben der nicht ganz so weit verbreiteten Konditionierung mit Luft haben sich vor allem flüssigkeitsbasierte Methoden etabliert.
Lexus verwendet momentan ein luftgekühltes System für die Batteriezellen seines Vollelektrischen Fahrzeugs. Am verbreitetsten sind jedoch flüssigkeitsbasierte Kühlkonzepte. Bild: Lexus
Dieser Beitrag ist Teil des Spezials: Hybrid- und Elektrofahrzeuge.
Kühl- und kältemittelbasierendes System (indirekte Kühlung)
Bei der indirekten Kühlung tragen ein Wasserkreislauf und die Klimaanlage zur Batteriekühlung bei. Um die Wärme aus der Batterie abzuführen, befindet sich im Batteriegehäuse eine Kühleinheit, die mit dem Kühlkreislauf gekoppelt ist.
Sobald das Kühlwasser im Kühler eine definierte Temperatur übersteigt, kommen die Klimaanlage und der Chiller ins Spiel. Dieser wird sowohl von einem Kühlmittel- als auch Kältemittelkanal durchströmt – wodurch sich ein Wärmeaustausch zwischen den beiden getrennten Kanälen ergibt.
Der Klimaanlagen-Kältemittelkreislauf entzieht somit dem Kühlkreislauf der Batterie Wärme. Übrigens lässt sich das Batteriekühlmittelsystem auch zum Aufwärmen der Batterie nutzen, vorausgesetzt der Fahrzeughersteller hat ein elektrisches Heizelement in den Sekundärkreislauf (grüner Kreislauf) integriert.
Kältemittelbasierendes System (direkte Kühlung)
Mit einer Verdampferplatte im Batteriegehäuse, die an die Klimaanlage angeschlossen ist, kann das Kältemittel der Batterie Wärme entziehen und transportiert diese direkt ab.
Dies ist vor allem für Hybridantriebe mit vergleichsweise kleiner Lithium-Ionen-Batterie interessant. Dort arbeitet der Klimakompressor unabhängig von den Einstellungen am Klimabedienteil, wenn die Batterie gekühlt werden muss. Die Förderleistung legt dann das Thermomanagement auf Basis der Batterietemperatur fest.
Wünscht der Fahrer beispielsweise keine Klimatisierung des Innenraums, läuft nur der Verdichter zur Batteriekühlung – der Verdampfer im Klimagerät unterm Armaturenbrett wird quasi umgangen.
Demzufolge entscheidet nicht nur der Fahrer über die Intensität der Kompressorleistung, sondern auch das Thermomanagement. Das gilt allerdings für alle Konzepte, bei denen die Klimaanlage zur Batteriekühlung beiträgt.
Luftkühlung
Bei vielen Hybridfahrzeugen reicht es aus, den Akku per Luft zu kühlen. Dazu befinden sich ein Gebläse sowie Luftführungen an Bord. In vielen Fällen wird die Kühlluft aus dem klimatisierten Fahrzeuginnenraum angesaugt und zur Batterie geleitet.
Es gibt aber auch das Konzept, zunächst die Kühlluft selbst abzukühlen. Hier durchströmt die angesaugte Luft einen zusätzlich in die Klimaanlage integrierten und quasi direkt vor oder in der Batterie sitzenden Verdampfer. Dieser entzieht der Kühlluft Wärme, sodass diese im abgekühlten Zustand die Batteriemodule umströmen und stauende Hitze abtransportieren kann.
Es gibt auch eine Kombination aus beiden Kühlluftkonzepten. Hier transportiert das Gebläse bei niedriger thermischer Belastung temperierte Luft aus dem Fahrzeuginnenraum zur Lithium-Ionen-Batterie.
Steigt die Temperatur jedoch über einen bestimmten Wert, aktiviert das Thermomanagement einen eigenen Kältekreislauf. Über einen separaten Verdampfer passiert die Kühlluft zunächst die Kühllamellen des Verdampfers und strömt abgekühlt zur Batterie.
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