Batemo Cell Explorer: Leistungsvergleich P73 und P79 Zelle von https://www.batemo.com/de/products/batemo-cell-explorer/ abgerufen am 28.04.2024

Batemo Cell Explorer: Leistungsvergleich zwischen P73 und P79-Zellen. (Bild: Batemo)

Die Aufgabe des Thermomanagements besteht darin, die optimale Temperatur des Batteriepacks für die bestmögliche Leistung zu gewährleisten. Dies erfolgt durch Kühlen oder Heizen des Batteriepacks. Dabei ist es wichtig, die Temperatur der Zelle im optimalen Bereich zu halten, da die Batterie, je nach Temperatur und Ladestand, nur mit einer bestimmten Leistung ge- oder entladen werden kann. Der optimale Temperaturbereich ist abhängig von der Zellchemie und wird vom Zellhersteller vorgegeben. Deren Einhaltung ist notwendig, um eine beschleunigte Alterung oder sogar Schädigung der Batteriezellen zu verhindern.

So kommt es bei kalten Temperaturen bei zu hohen Ladeströmen beispielsweise schnell zu einer Ablagerung metallischen Lithiums auf der Anode, sogenanntes Lithium-Plating. Bei zu hohen Temperaturen dagegen werden andere Alterungsmechanismen beschleunigt, was grundsätzlich vermieden werden sollte. Bei hohen Temperaturen ist es theoretisch auch möglich, dass die Zellen irreversibel geschädigt werden, dies wird aber in der Regel durch verschiedene Sicherheitsmechanismen unterbunden.

Der optimale Temperaturbereich für Lithium-Ionen-Batterien liegt in der Regel zwischen 20 °C und 40 °C. Des Weiteren hängt der Temperaturbereich von der Nutzungsart ab. So kann es von Vorteil sein beim Schnellladen höhere Temperaturen zuzulassen, da das Betriebsfenster höhere Ladeströme zulässt und es immer um einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum geht, während es beim Entladen durchaus von Vorteil ist, frühzeitig zu kühlen, um die Alterung zu reduzieren. Die genaue Nutzungsanforderung wird durch das Betriebsfenster vorgegeben. Es gibt darin Vorgaben zur Spannung, den maximalen Lade- und Entladeströmen, sowie gegebenenfalls kurzzeitige höhere Belastungen. Zusätzlich zur Temperaturabhängigkeit liegt eine Abhängigkeit vom Ladezustand (State of Charge, SOC) vor.

Eine weitere wichtige Größe ist die Homogenität der Batterietemperaturen. Je höher die Temperatur, desto schneller altert die Batteriezelle. Dies bedeutet auch, wenn eine Batteriezelle beispielsweise aufgrund eines schlechten Thermomanagements dauerhaft 15 °C wärmer ist als die anderen Zellen, diese stärker altern wird, was unterschiedliche Ladezustände zur Folge hat. Diese unterschiedlichen Ladezustände sind dann, je nach Systemlayout, häufig limitierend für das Komplettsystem und der generelle Ladestand muss aufwendig auf das gleiche Level gebracht werden, um dies ein Stück weit auszugleichen (sogenanntes Balancing).

Woher kommt die Wärme?

Die Temperatur der Batterie ändert sich sowohl mit der Umgebungstemperatur als auch bei der Nutzung. Bei der Nutzung ist der maßgebliche Effekt zur Erwärmung: Joulsche Wärme (Q = R*I² mit Q, der Wärmeleistung in Watt, R, dem Widerstand in Ohm und I der Stromstärke in Ampere).

Der elektrische Widerstand des Batteriepacks wird zum einen verursacht durch den elektrischen Widerstand der Batteriezellen, der Temperatur, SOC und State of Health (SOH/ Batteriegesundheit), zum anderen, durch den Widerstand aller Stromschienen, Zellverbinder, Kontaktstellen, Sicherungen etc., kurzum, aller stromdurchflossener Bauteile.

Die Stromstärke wird durch die Leistungsanforderung des Fahrzeuges bestimmt. Es gilt dabei P = U*I mit P, der elektrischen Leistung in Watt, U, der Spannung in Volt und I, der Stromstärke in Ampere. Diese Beziehung wird genutzt, um durch eine Erhöhung der Spannung die Stromstärke und damit die Abwärme zu reduzieren. So folgt aus einem Wechsel von 400 VDC auf 800 VDC eine Halbierung der Stromstärke und damit nur noch ein Viertel der Abwärme im System (durch die quadratische Beziehung zur Stromstärke). Trotz der Herausforderungen, welche mit der Erhöhung der Spannungslage einhergehen (Durchschlagsfestigkeit, Anfälligkeit für thermische Propagation wegen Lichtbögen, Bauteilauslegung etc.), ist ein allgemeiner Trend zu höheren Spannungslagen am Markt zu beobachten.

Die andere Wärmequelle, der Widerstand der Zelle, lässt sich durch Auswahl der entsprechenden Bauart beeinflussen, d. h. man unterscheidet zwischen Energie- und Leistungszellen. Bei Energiezellen wird der Energiegehalt maximiert. Das wird beispielsweise erreicht durch dickere Aktivmaterialschichten. Daraus folgt ein höherer Zellwiderstand, was zu Lasten der maximal erlaubten Stromstärke geht. Bei Leistungszellen liegt dagegen der Fokus auf der Leistung bzw. den erlaubten Stromstärken, was durch dünnere Aktivmaterialschichten realisiert wird. Dies geht zu Lasten der Energiedichte, reduziert aber den inneren Widerstand und maximiert die erlaubte Stromstärke beim Entladen bzw. Laden. Farasis Energy bietet beide Arten von Zellen an. Bei den Energiezellen liegt eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte vor, während die Energiedichte führend ist.

Simulierte Packtemperatur bei einem Wechsel aus Schnellladen und maximaler Dauerlast beim Fahren.
Simulierte Packtemperatur bei einem Wechsel aus Schnellladen und maximaler Dauerlast beim Fahren. (Bild: Farasis Energy)

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

ae_emobility_batterie_940x250.jpg
(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Effektive Umsetzung des Thermomanagements

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist im Kontext des Thermomanagements verantwortlich für die Überwachung der Zelltemperatur und sendet entsprechende Anforderungen ans Fahrzeug (zum Beispiel „heizen“ oder „kühlen“). Das BMS ist in der Regel in einem separaten Bauteil im Batteriepack untergebracht, das diverse Relais, Sicherungen und die Überwachungselektronik mit dem BMS enthält. Hier läuft die komplette Sensorik zusammen.

Neben dem Thermomanagement enthält das BMS auch verschiedene Sicherheitsalgorithmen und kümmert sich mit um die Überwachung der Batteriegesundheit (SOH) und gegebenenfalls Limitierung der Leistungsanforderungen des Fahrzeugs an die Batterie. Wenn die Batterie beispielsweise trotz Kühlung zu heiß wird, dann reduziert das BMS die für das Fahrzeug bereitgestellte Leistung, um eine beschleunigte Alterung aufgrund einer weiteren Aufheizung zu verhindern (thermal derating). Im Notfall kann es sogar zur Abschaltung kommen, wenn ein gewisser Temperaturschwellwert überschritten wird. Im Alltag liegt dieser Schwellwert häufig bei ca. 60 °C.

Das Kühlen und auch Heizen des Batteriepacks kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, die sich je nach Hersteller, Leistungsspektrum und Zellchemie unterscheiden. In der Regel wird ein Batteriepack im Automobil aktiv gekühlt. Grundsätzlich kann man im niedrigen Leistungsspektrum auch mit Luft kühlen. Da Luft als Kühlmedium jedoch stark limitiert in der Menge der transportierten Wärme ist und zudem gefiltert werden muss, um eine Verschmutzung der Batterie zu verhindern, wird der überwiegende Teil der Elektrofahrzeuge mit einem Gemisch aus Wasser und Glykol gekühlt. Dabei werden die Zellen entweder an eine Kühlplatte angebunden oder auch zunehmend direkt mit Kühlschlangen kontaktiert.

Generell gilt, je geringer der thermische Widerstand zwischen Zelle und Kühlsystem, desto schneller lässt sich die Batteriezelle herunterkühlen (oder heizen). In seltenen Fällen kommen alternative Kühlkonzepte zu Anwendung, die den thermischen Widerstand minimieren, z. B. submersed cooling, d. h. die vollständige oder teilweise Umspülung der Batteriezelle mit einem di-elektrischen Kühlfluid. Diese finden aufgrund der Komplexität jedoch selten Anwendung. Des Weiteren ist dabei nicht nur die Anbindung der Batteriezelle an das Kühlsystem limitierend, sondern auch die vom Fahrzeug bereitgestellte Kühlleistung, d. h. der überwiegende Teil der EVs teilt sich das gleiche Kühlsystem wie die Klimaanlage des Fahrzeugs.

Die Wärmepumpe stellt dabei meist eine Kühlleistung von 3 bis 7 kW bereit, je nach Fahrzeuggröße, Typ und Wetter. Das Batteriepack heizt sich bei extremen Lastfällen wie Schnelladen in der Regel deutlich stärker auf (30 kW und mehr). Die thermische Masse des Batteriepacks wirkt dabei wie ein passiver Wärmespeicher. Das Batteriepack wärmt sich auf und muss nach dem Lastfall wieder heruntergekühlt werden. Die Herausforderung liegt darin, das Thermomanagement so auszulegen, dass bei dem überwiegenden Teil der Nutzung die Batterie im optimalen Temperaturbereich gehalten wird.

Hintergrund ist hierbei, dass Spitzenlasten nur einen prozentual geringen Teil der Lebensdauer ausmachen und die höheren Temperaturen und die entsprechend beschleunigte Alterung für diese kurzen Intervalle akzeptabel ist. Das aktive Heizen ist im Wesentlichen für das Laden bei kalten Temperaturen wichtig, da die Ladeleistung stark reduziert ist und je nach Zellchemie für sehr kalte Temperaturen auch nahezu ganz deaktiviert wird. Es kann aber je nach Zellchemie und Umgebungstemperaturen auch im normalen Fahrbetrieb Sinn machen, da sonst eventuell die Fahrleistung zu stark reduziert ist. Geheizt wird oftmals durch elektrische PTC-Heizer, bei Temperaturen um den Gefrierpunkt kommt die Wärmepumpe aus der Klimaanlage als zusätzliche Option zur effizienteren Heizung hinzu. Die Auslegung des Thermomanagements richtet sich nach den Anforderungen an die Lebensdauer, wirtschaftlichen Gesichtspunkten und dem Nutzerprofil der Zielgruppe.

Im zweiten Zyklus (d. h. nach zirka 2800 s) wird die Stromstärke reduziert, um ein Überhitzen der Batterie zu verhindern.
Im zweiten Zyklus (d. h. nach zirka 2800 s) wird die Stromstärke reduziert, um ein Überhitzen der Batterie zu verhindern. (Bild: Farasis Energy)

Was sind die Herausforderungen?

Grundsätzlich ist das Thermomanagement insbesondere dann gefordert, wenn entweder die Umgebungstemperatur es notwendig macht, die Batterie zu heizen oder zu kühlen oder wenn hohe Ströme fließen. Typische Extremfälle wären Laden bei kalten Umgebungstemperaturen, Schnellladen bei warmen Umgebungstemperaturen oder Entladen bei warmen Umgebungstemperaturen.

Beim Laden unter kalten Umgebungstemperaturen muss die Batterie geheizt werden, da dort die Ladeströme durch das Betriebsfenster stark limitiert sind, um Lithium-Plating zu vermeiden. Ein typischer Fall wäre, ein im Winter über einen längeren Zeitraum geparktes Fahrzeug bei Außentemperaturen von < -15° C und niedrigem Ladezustand. Soll das Fahrzeug dann über die Schnellladefunktion geladen werden, ist hier entsprechend Zeit einzurechnen, da es selbst durch aktives Heizen dauern wird, bis das Batteriepack eine Temperatur erreicht hat, die schnelles Laden ermöglicht. Sobald diese Temperatur erreicht ist, erwärmt sich das Batteriepack selbst, weiteres Heizen ist dann nicht mehr erforderlich.

Bei warmen Umgebungstemperaturen wird die Maximaltemperatur im Batteriepack schneller erreicht, während parallel der Passagierbereich durch die Klimaanlage gekühlt werden muss. Aufgrund der Aufteilung der Kühlleistung von Batterie und Klimaanlage, gibt es also eine Konkurrenz um die vorhandene Kühlleistung. Eine Kühlung über die Umgebung wie beim Verbrennermotor funktioniert ebenfalls nicht, da der optimale Temperaturbereich einer Batterie nahezu einer warmen Umgebung entspricht, sprich, es keinen ausreichenden Gradienten zur Umgebungsluft gibt.

Wenn jemand also beispielsweise eine Fernstrecke an einem warmen Sommertag fährt, die Klimaanlage viel kühlen muss und zwischendurch immer wieder schnell geladen wird, muss die Fahr-/Ladeleistung auf kurz oder lang limitiert werden. Bei richtiger Auslegung des Thermomanagements dauert es allerdings, bis die Batterie eine Temperatur erreicht hat, die dies erfordert. Zusätzlich ist für diesen Extremfall eine hohe Dauerlast beim Fahren notwendig, was z. B. starkes Beschleunigen oder das Fahren mit Maximalgeschwindigkeit bedeutet. Diese kommt im Praxisfall eher selten vor. Das Schnellladen wird jedoch dabei mit hoher Wahrscheinlichkeit ab dem zweiten oder dritten Mal in der Geschwindigkeit reduziert. In der Entwicklung wird gerne der Wechsel aus Entladen und Schnellladen mit maximal erlaubter Leistung simuliert oder getestet, um die Grenzen des Thermomanagements auszutesten. Ein Beispiel ist in der Grafik dargestellt, das eben jene Fahrprofile bei einem aktuellen Serienfahrzeug zeigt. Man sieht, dass die Stromstärke im zweiten Zyklus (d. h. nach zirka 2800 s) reduziert wird, um ein Überhitzen der Batterie zu verhindern.

Wie wird das Thermomanagement ausgelegt?

Die Auslegung erfolgt neben initialen Berechnungen basierend auf den Zell- und Lebensdauerdaten zu einem starken Anteil simulationsbasiert. Angefangen bei der Kühlplatte/-strang mit Strömungssimulation, um diese zu optimieren, über eine Systemsimulation ganzer komplexer Fahrzyklen sowie die Lebensdauersimulation zusammen mit der entsprechenden Kühlstrategie und diversen Klimaprofilen. Es lässt sich dabei auch die Strategie anpassen, um beispielsweise die Ladezeiten zu reduzieren oder auch die Lebensdauer zu maximieren. Der Vorteil von Pouch-Zellen ist dabei, dass sie von Natur aus eine höhere Lebensdauer haben als Hardcase-Zellen (prismatisch/Rundzellen).

Simulierte Temperaturverteilung im Fluid in der Kühlplatte eines aktuellen Serienfahrzeuges.
Simulierte Temperaturverteilung im Fluid in der Kühlplatte eines aktuellen Serienfahrzeuges. (Bild: Farasis Energy)

E-Mobility: Laden

ae_emobility_laden_940x250.jpg
(Bild: AdobeStock_39293318)

Wo und wie lässt sich ein E-Auto aufladen? Welche Leistungselektronik steck in einer Ladesäule? Wie wird die Ladesäule intelligent? Halbleiter, Hochvolt-Komponenten, Stecker, Kabel, Wallboxen, Kommunikation, Infrastruktur, Standards, Services und mehr. Die Technologien dahinter finden Sie hier.

Herausforderungen der Zukunft

Die Oberklasse der Energiedichten wie auch die Anforderungen an das Schnellladen werden weiterwachsen (bzw. Verkürzung der Ladezeiten). Dabei bedeutet beispielsweise bei einer Reduktion der Ladezeit von 30 Minuten auf zehn Minuten eine Verdreifachung der fließenden Ströme. In Zahlen heißt das, dass bei einem 100-kWh-Batteriepack, das bei einem 800-VDC-System und zehn Minuten Laden im Schnitt zirka 750 A fließen müssen, um eine Ladeleistung von 600 kW bereitzustellen. Die Spitzenlasten werden dabei deutlich höher sein, da eine Batteriezelle nicht mit konstant hoher Stromstärke geladen werden kann.

Parallel sollte das Gewicht des Batteriepacks reduziert werden. Die Gesetzeslage lässt zudem keine endlose Steigerung der Spannungslage zu. Folglich kommt es zu einer Steigerung der entstehenden Abwärme und damit höheren Packtemperaturen. Bei gleichbleibender Kühlleistung des Klimakompressors und einer Reduzierung des passiven Wärmespeichers aufgrund eines kleineren Gesamtgewichts des Packs, werden neue innovative Lösungen benötigt, um den steigenden Anforderungen an das Thermomanagement gerecht zu werden.

Eine zusätzlich immer häufiger diskutierte Anwendung ist das Unterdrücken der thermischen Propagation (TP). Ziel ist, in der frühen Phase, wenn die erste oder zweite Zelle noch nicht in den Thermal Runaway (TR) eingetreten ist, die Zellen so weit herunterzukühlen, dass es nicht zum TR der Zellen kommt und dadurch TP unterdrückt wird. Der Nachteil ist dabei, dass man ein aktives Kühlsystem in jeder Situation gewährleisten muss. Farasis Energy entwickelt ein System, das TP auch ohne Hilfe des Thermomanagements bei den Hochenergiezellen unterdrückt, um eben jene Problematik zu lösen.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass Gesetzgeber weltweit Gesetze erlassen, die eine erhöhte Lebensdauer vorschreiben, um ein Second Life der Batteriepacks zu ermöglichen. Hier haben Pouch-Zellen aufgrund der höheren Lebensdauer einen Vorteil. Optimales Thermomanagement kann die Lebensdauer weiter erhöhen. Das Thermomanagement wird somit auch zukünftig vor vielen Herausforderungen stehen. (neu)

Autor

Autor Pascal Hermann
(Bild: Farasis Energy)

Pascal Hermann, Farasis Energy

Sie möchten gerne weiterlesen?