E-Mobility: Erfolgreiches Thermomanagement mit Wasserkühlung

Elektro- und Hybridautos werden zunehmend beliebter und auch die benötigte Ladeinfrastruktur wird flächendeckend ausgebaut. Eine wesentliche Rolle für die Akzeptanz elektrisch angetriebener Fahrzeuge spielt deren Reichweite. Um diese beständig zu steigern und unterwegs flexibel zu bleiben, nimmt die Leistungsdichte der Lithium-Ionen-Batterien zu. Gleichzeitig werden kürzere Ladezeiten von Elektro- und Hybridautos wichtiger. Damit muss auch die Leistungsfähigkeit der Ladesäulen steigen.

Bei Schnellladeverfahren entsteht jedoch eine große Menge an Verlustwärme, die zu hohen Abwärmeströmen führt. Um einen kontinuierlich hohen Ladezyklus zu ermöglichen, ist ein effizientes Wärmemanagement notwendig.

Alle Verlustwärme erzeugenden Komponenten berücksichtigen

Die Lebensdauer, aber auch Leistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hängen stark von der Betriebstemperatur und den Temperaturschwankungen ab, die innerhalb jeder einzelnen Zelle auftreten. Batterien bzw. prinzipiell Energiespeichersysteme haben unterschiedliche Temperaturanforderungen. So sollten Batterien und deren Zellen für die maximale Lebensdauer die Durchschnittstemperatur von 15 bis 35 °C nicht unter- oder überschreiten. Mithilfe von Thermomanagement-Systemen werden Lithium-Ionen-Batterien auf einem optimalen Wärmegrad gehalten und Temperaturdifferenzen in den Zellen minimiert.

Neben der bislang vordergründig betrachteten Batteriekühlung ist es jedoch essenziell, auch die immer potenteren Systeme und den gesamten thermischen Kreislauf zu kühlen. Dazu zählen zum Beispiel Konverter und Radiatoren in elektrisch angetriebenen Autos oder das Kabel- und Ladesystem mit Reservoirs, Pumpen und Heizern in Ladestationen. Denn alle Komponenten, die potenziell Hitze freisetzen, wirken sich auf die Temperatur und Funktionsfähigkeit des kompletten Systems aus.

Flüssigkeitskühlung als ideale Lösung für Energiespeicher

Die Aufgaben von Kühlungssystemen sind die konstante Reduzierung der Temperatur und gleichzeitig der Transfer von Wärme. Dazu muss die Hitze von den abgebenden Komponenten abtransportiert und möglicherweise aktiviert werden, wo Wärme benötigt wird. Zur Kühlung stehen zwei Varianten zur Verfügung – Luft oder Wasser. Luft hat eine geringe Wärmekapazität, nimmt also schnell Hitze auf, sodass der Wärmetransfer schwierig umzusetzen ist. Daneben sind auch die hohe Lautstärke und der große Platzbedarf Nachteile des luftbasierten Wärmemanagements.

Da die modernen Systeme immer mehr Energie speichern können und für das Thermomanagement oftmals nur ein sehr beengter Bauraum zur Verfügung steht, wird die Flüssigkeitskühlung zunehmend interessanter – sowohl für Ladestationen als auch im Hybrid- oder Elektroauto selbst. Wasser absorbiert Wärme langsamer als Luft, weshalb der Wärmetransferkoeffizient geringer ist. Dadurch kann bei der Kühlung mit Wasser mehr Wärme aufgenommen werden. Um eine ähnliche Kühlleistung mit Luft zu erreichen, ist durch die geringere Wärmekapazität ein wesentlich höherer volumetrischer Luftvolumenstrom erforderlich.

Bei Wasser konstanter Durchfluss geringer

Ein weiterer wichtiger Aspekt für die Bewertung der beiden Varianten ist die Durchflussrate: Um Batterie-Zellen auf die ideale Durchschnittstemperatur von 35 °C zu bringen, ist in einem luftgekühlten System ein konstanter Durchfluss von etwa 13 °C erforderlich. Ein wassergekühltes System arbeitet bereits bei der deutlich höheren Temperatur von 32 °C. Um die gleiche Kühlungsrate mit Luft zu erreichen, ist somit die Durchflussrate wesentlich höher als mit Flüssigkeit.

Daraus lässt sich ableiten, dass Wasserkühlungssysteme platzsparender designt werden können und zugleich die technischen Vorteile einer gleichmäßigen Wärmeverteilung ermöglichen. Eine Batterie – ob für Fahrzeuge, Lkw, Busse oder Energiespeicher – kann direkt an der Kühlungsplatte temperiert und mit dem gesamten Zyklus der Flüssigkeitskühlung verbunden werden.

Zuverlässiges Rohrsystem bei wasserbasierten Kühlsystemen wesentlich

Um den Wärmetransfer bei der Flüssigkeitskühlung erfolgreich umzusetzen, werden unterschiedliche Komponenten benötigt. In jedem Wasserkühlungssystem sind etwa Sensoren verbaut, um die Temperatur des Mediums zu messen. Für den Einsatz in thermisch kalten Regionen ist in der Regel ein Heizelement integriert, das zu niedrige Temperaturen ausgleichen kann. Ebenso spielen die Rohre in Ladestationen eine wesentliche Rolle – immerhin nehmen sie Wasser auf, das sie entlang des sensiblen Kabelsystems leiten und mit Reservoirs, Pumpen sowie Heizer verbinden. Da die Bauräume immer kleiner werden, eignen sich flexible und gleichzeitig mechanisch belastbare Well- und Glattrohre aus Kunststoff bestens für Kühlsysteme. Sie sollten hohe Durchflussraten ermöglichen und Betriebsdrücken von bis zu vier bar standhalten. Die Vorteile gegenüber Gummi- oder Metalllösungen liegen etwa in der höheren Leistungsfähigkeit, einfachen Montage, Gewichtseinsparung und Strömungsoptimierung. In einem wassergekühlten System kommen Rohrdimensionen von Nennweite acht bis 37 zum Einsatz.

Durch ein flexibles Design des Rohrsystems, das sich zum Beispiel mit steifen Expansionskörpern in ovaler Form auf die individuellen Erfordernisse zuschneiden lässt, kann die Flüssigkeit einfach durch Engstellen geführt werden. Wichtig ist, dass Rohre ihre mechanische Festigkeit durch das Thermoverformen nicht verändern. Sie müssen nicht zwingend aus Polyamid (PA) 12 extrudiert werden, sondern es können auch Mehrschichtrohre eingesetzt werden, die je nach Anwendung und Systemdrücken unterschiedlich ausgelegt werden.

Abgestimmtes System für höchste Sicherheit

Da bei der Wasserkühlung von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge aus Sicherheitsgründen absolute Dichtigkeit erforderlich ist, liegt ein weiterer Fokus auf der Rohrverbindung. Mit Schnellverbindern aus Kunststoff lassen sich die Rohrsysteme im Wärmemanagement einfach verbinden. Bauraumoptimierte Steckverbinder sollten außerdem temperaturbeständig sein, eine lange Lebensdauer und für einen optimierten Durchfluss einen hohen Innendurchmesser im Anschlussbereich haben.

Generell sollten Systeme zur Flüssigkeitskühlung wartungsfrei sein – im Ausnahmefall kommen spezielle Connectoren (Shut-off) zum Einsatz, welche mit ihrer „dripless-Funktion“ die tropffreie Instandhaltung ermöglichen. Da Wasserkühlsysteme dauerhaft arbeiten – und etwa die Batterien auch beim Stillstand des Fahrzeugs auf der optimalen Temperatur halten – sind die Qualität und Verarbeitung der stark beanspruchten Komponenten ausschlaggebend für eine lange Lebensdauer. Abgestimmte und maßgeschneiderte Komponenten aus einer Hand hat etwa der Anbieter für Thermomanagement-Lösungen Fränkische Industrial Pipes (FIP) entwickelt.

Die Rohre und Connectoren sollten außerdem auf den gängigen Verbindungsstandards basieren. So kann zum Beispiel bei einer Batterieverbindung ein SAE-Standard angewendet werden. Bei Energiespeichern oder Ladestationen kann oftmals im Interface selbst ein auf dem VDA-Standard basierender Connector als Gegenstückverbindung genutzt werden.

Höhere Effizienz für Ladestationen und E-Autos mit Wasserkühlung

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Wasserkühlung einen effektiven Transfer von großen Wärmemengen mit relativ geringen Durchflussraten ermöglicht. So erreicht sie eine bessere kontinuierliche Kühlleistung als Luft. Damit eignet sich der wasserbasierte Ansatz insbesondere für die Kühlung von Systemen mit hohem Energiespeicherbedarf wie Ladestationen und den elektrisch angetriebenen Fahrzeugen selbst. Für den nachhaltigen Wärmetransfer ist eine abgestimmte Systemlösung ideal, die aus flexiblen sowie gleichzeitig stabilen Kunststoffrohren und zuverlässigen Connectoren besteht. (neu)