Batterie-Wärmemanagementsystem für Elektrofahrzeuge (BTMS)

Da sich Elektrofahrzeuge aufgrund ihrer Nullemissionen und hohen Tank-to-Wheel-Effizienz zu einem unaufhaltsamen Trend entwickeln, wird die Verbesserung der Batterieleistung, der Kosten, der Lebensdauer und der Sicherheit immer wichtiger. Und Batterie-Wärmemanagementsysteme (BTMS) sind entscheidend für die Batterieleistung, die für die Gesamtleistung der Antriebsstrangsysteme in Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) von entscheidender Bedeutung ist. Zu den BTMS-Technologien gehören:

    · Luftkühlsysteme.

    · Flüssigkeitskühlsysteme.

    · Direkte Kältemittelkühlsysteme.

    · Phasenwechselmaterial (PCM).

    · Thermoelektrik.

    · Heatpipe-Kühlung.

1. Luftkühlung und -heizung

Luftsysteme nutzen Luft als thermisches Medium. Die Zuluft kann direkt aus der Atmosphäre oder der Kabine kommen oder klimatisierte Luft nach dem Heizer oder Verdampfer der Klimaanlage sein. Ersteres wird als passives Luftsystem bezeichnet, letzteres als aktives. Aktive Systeme können zusätzliche Kühl- oder Heizleistung bereitstellen. Passive Systeme können Hunderte Watt Kühl- oder Heizleistung bereitstellen, während aktive Systeme auf eine Leistung von 1 kW begrenzt sind.

In beiden Fällen spricht man von Umluftsystemen, da die Luft durch ein Gebläse zugeführt wird.

2. Flüssigkeitskühlung und -heizung

Unter Flüssigkeitskühlung versteht man ein Kühlsystem, bei dem Wasser als Kühlmittel zur Kühlung der Zelle verwendet wird. Und Flüssigkeitskühlung ist aufgrund ihres praktischen Designs und ihrer guten Kühlleistung das am häufigsten verwendete Kühlsystem. Normalerweise werden in Wärmemanagementsystemen zwei Gruppen von Flüssigkeiten verwendet. Eine davon ist eine dielektrische Flüssigkeit (Direktkontaktflüssigkeit), die direkt mit dem Batteriemonomer in Kontakt kommen kann, beispielsweise Mineralöl. Bei der anderen handelt es sich um leitfähige Flüssigkeiten (indirekte Kontaktflüssigkeiten), die die Zelle nur indirekt kontaktieren können, beispielsweise eine Mischung aus Ethylenglykol und Wasser. In beiden Gruppen werden indirekte Kontaktsysteme bevorzugt, um das Batteriemodul besser von seiner Umgebung zu isolieren und so eine bessere Sicherheitsleistung zu erzielen. Die Flüssigkeitssysteme können auch in passive und aktive Systeme unterteilt werden, die unterschiedliche Kühlkörper zur Kühlung verwenden.

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3. Direkte Kühlung und Erwärmung des Kältemittels

Wie das aktive Flüssigkeitssystem besteht das Direktkühlsystem (DRS) aus einem A/C-Kreislauf, aber das DRS nutzt das Kältemittel direkt als Wärmeübertragungsflüssigkeit, die durch die Zelle zirkuliert.

4. PCM

Phasenwechselmaterialien absorbieren während des Schmelzprozesses Wärme und speichern sie als latente Wärme, bis sie ein Maximum erreicht. Darüber hinaus bindet PCM immer für einige Zeit, die Temperatur bleibt auf dem Schmelzpunkt und dann verzögert sich der Temperaturanstieg. Daher wird PCM in BTMS als Leiter und Puffer verwendet. Darüber hinaus wird das PCM immer mit einem anderen BTMS-System (z. B. flüssigkeits- oder luftgekühlt) kombiniert, um die Zelltemperatur zu verwalten.

5. Thermoelektrisches Modul

Das thermoelektrische Modul wandelt Spannung in Temperaturdifferenz um und umgekehrt. Der erstgenannte Effekt wird hier genutzt. Dies bedeutet, dass die Wärme durch das Modul geleitet wird, indem direkt Strom verbraucht wird. Um die Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion zu verbessern, sind zwei Lüfter eingebaut. Durch die Kombination eines passiven Luftsystems mit einem thermoelektrischen Modul kann das kombinierte System die Batterie auf sogar niedrigere Werte als die Einlasslufttemperatur kühlen. Allerdings ist die Leistung immer noch auf etwa ein paar Hundert Watt, also weniger als ein Kilowatt, begrenzt. Das Hauptproblem dieser Kühlung ist die Sicherheit des Systems, was im Notfall ein Problem sein kann. Aufgrund eines Kühlmittellecks an der Batteriezelle könnte es zu einem Kurzschluss kommen, der zu einem Fahrzeugausfall und tödlichen Folgen führen kann. Darüber hinaus muss das Kapillarrohr einen Mindestdurchmesser haben, um einen ausreichenden Druckabfall aufrechtzuerhalten und ein Verstopfen zu vermeiden.

6. Wärmerohr

Neben thermoelektrischen Modulen sind Heatpipes eine weitere Möglichkeit, passive Luftsysteme aufzurüsten. Das flache Kupfergehäuse der Heatpipe steht unter Unterdruck. Die Kapillarstruktur besteht aus gesintertem Kupferpulver. Das Wärmerohr verwendet Wasser als Arbeitsmedium. Aufgrund des niedrigen Innendrucks nimmt das Wasser auf der Verdampferseite Wärme auf und verwandelt sich bei Temperaturen unter 100 °C in Dampf. Das Wasser am Kondensator strahlt die Wärme ab und wird wieder flüssig. Dieser Zyklus wiederholt sich immer wieder.