Bild 2: Die Kühlung der Batteriezellen erfolgt über einen dünnen Spalt, der nur 1 mm misst. (Bild: Miba)
Etwa fünf Prozent der Batterieleistung fallen bei aktuellen EV-Batterien (Electric Vehicle) als Wärme beim Laden und Entladen an. Im Premiumbereich sind das dann 5 kW. Es ist der Zweck der Batteriekühlung diese Wärme abzuleiten. Dabei existieren einige konstruktive Herausforderungen. So ist die Batteriezelle elektrisch von der Umgebung zu isolieren, aber gleichzeitig sind elektrisch nichtleitende Materialien fast ausschließlich auch schlechte Wärmeleiter. Eine gute Wärmeleitfähigkeit muss auch unter herausfordernden Bedingungen (zum Beispiel ständigen Vibrationen) sichergestellt sein. Batteriezellen sind zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen (und zum Schutz der Umgebung bei katastrophalen Szenarien wie Thermal Runaway) in einem Metallgehäuse untergebracht.
Bild 1: Der Flexcooler passt sich perfekt der Form der Batteriezellen an. Hier im Bild liegt er zwischen den zylindrischen Batteriezellen. Miba
Ebenfalls aus Metall, meist aus Aluminium, ist der flüssigkeitsdurchströmte Kühlkörper. Beide Komponenten sind mehr oder weniger starr. Damit entsteht aufgrund einer nicht perfekten Ebenheit der Kontaktflächen unweigerlich ein Luftspalt und eine sehr schlechte Wärmeleitung. Dieses Problem wird durch das Einbringen von Gapfillermaterialien (Thermal Interface Materials, TIM) adressiert. Diese Materialien bestehen meist aus Silikonen mit Additiven zur Erhöhung der Wärmeleitung. Diese haben natürlich Nebenwirkungen: Aufgrund der Viskosität der Silikone und einer gewünschten mechanisch festen Verbindung zwischen Batteriegehäuse und Kühler können die Schichten nicht beliebig dünn sein. Schichtdicken im Millimeterbereich sind nicht selten und so kann allein der Gapfiller das Gewicht von Batterie und Kühlung um mehr als 10 kg erhöhen.
Gapfiller im Detail
Die Wärmeleitfähigkeit λ von Gapfillermaterialien liegt bei 2 bis 3 W/mK (zum Beispiel Semikosil 961 TC: 2 W/mK), etwa um einen Faktor 10 höher als die von Polymeren (λ zwischen 0,2 und 0,6 W/mK) – Kupfer hat im Vergleich 403 W/mK, Aluminium 236 W/mK, niedrig legierter Stahl hat ein λ von 40 W/mK. Gapfiller füllen nicht nur die Lücke zwischen Wärmequelle und Wärmetauscher/Kühler, sie liegen mit ihrer Wärmeleitfähigkeit auch in der Lücke zwischen guten und schlechten Wärmeleitern (Luft hat ein λ von 0,026 W/mK, Vakuumdämmplatten erreichen 0,005 W/mK). Gapfiller sind also keine guten Wärmeleiter. In einem Schichtaufbau Stahl/Gapfiller/Aluminium mit gleichen Dicken werden sich die stationär (zeitlich) entwickelnden Temperaturunterschiede im umgekehrten Verhältnis der Wärmeleitfähigkeiten einstellen. Die Wärmeleitung zwischen Stahl- und Aluminiumoberfläche ist also in einem solchen dreifachen Schichtverbund im Wesentlichen durch die (schlechte) Wärmeleitfähigkeit des Gapfillers bestimmt, da diese um einen Faktor zehn bis 100 kleiner als die von Stahl und Aluminium ist.
Alternative zum Gapfiller?
Aber es gibt eine Alternative zum Gapfiller. Sobald eine der beiden wesentlichen Komponenten Batterie oder Kühler sich flexibel der anderen anpassen kann, verschwindet der Luftspalt in der Zwischenfläche Batterie/Kühler. Eine flexible Batterieoberfläche brächte erhebliche Herausforderungen, wie zum Beispiel die Sicherstellung der mechanischen Stabilität oder den Schutz der Batteriezelle, und scheidet daher aus. Der Kühlkörper/Wärmetauscher muss eigentlich nur von Kühlmittel (das im Prinzip jede Form annehmen kann) durchströmt werden und sich für eine effiziente Wärmeleitung dem Batteriezellgehäuse anpassen, um so direkt am Gehäuse anzuliegen und druckbeständig beziehungsweise dicht zu sein. All das lässt sich mit einem flexiblen Wärmetauscher realisieren.
Flexibler Wärmetauscher
Bild 2: Die Kühlung der Batteriezellen erfolgt über einen dünnen Spalt, der nur 1 mm misst. Miba
Der Miba Flexcooler passt sich perfekt der Form der Batteriezellen an und liegt zwischen den zylindrischen Batteriezellen (Bild 1). Es entsteht ein dünner Flüssigkeitskanal, der direkt am Gehäuse der zylindrischen Zellen anliegt. Die Kühlung von größeren Modulen aus zylindrischen Zellen erfolgt durch Stapeln der einzelnen Kühlelemente.
Sobald Kühlmittel durch den Wärmetauscher strömt, formt sich ein flacher Flüssigkeitskanal, der sich der Form der zylindrischen Zellen anpasst. Dieser flache Flüssigkeitskanal windet sich durch den Raum zwischen den zylindrischen Zellen und kann sehr dünn sein (etwa 1 mm ist ausreichend, Bild 2). Damit kann der Zwischenraum zwischen den zylindrischen Zellen sehr klein sein. Bei entsprechender Berücksichtigung im Batteriedesign erhöht sich dadurch die Packungsdichte der Batterie. Unterstützend wirkt dabei, dass der Flexcooler aus elektrisch nichtleitenden Materialien besteht und so weniger Isolationsmaterialien anfallen beziehungsweise zusätzliche Sicherheit gewonnen wird.
Aufgrund seiner Flexibilität wird der vom Kühlmittel durchströmte Wärmetauscher an die zylindrischen Zellen gedrückt. Bereits ein Druck von 0,5 bar ist ausreichend, damit er sich optimal an die Batteriezelle anlegt. Der dadurch entstandene direkte Kontakt mit der Batteriezelle stellt eine effektive Wärmeübertragung sicher. Dabei erstreckt sich der Wärmetauscher fast über die gesamte Höhe der zylindrischen Zellen, wodurch eine hohe Homogenität der Zelltemperatur erreichbar wird, sowohl von oben nach unten als auch von Zelle zu Zelle.
Durch den perfekten Formfit ist ein effektiver Wärmeübertrag über die gesamte Höhe der zylindrischen Batteriezellen gegeben, wodurch eine hohe Homogenität der Zelltemperatur erreicht wird. Bild 3 zeigt eine seitliche Ansicht eines Versuchsaufbaus mit beheizten Batteriezellen (oben) und der Darstellung der Temperaturverteilung mit einer Wärmebildkamera (unten). Im gezeigten Modell produziert jede zylindrische Zelle 1,95 W. Gekühlt wurde mit einem Volumenstrom von 1 l/min (25 °C), der Druckabfall beträgt 120 mbar.
Flexibel und dauerhaft
Bild 3: Durch den Formfit ist ein effektiver Wärmeübertrag über die gesamte Höhe der zylindrischen Batteriezellen gegeben (beheizte Batteriezellen oben, Bild der Wärmekamera unten). Miba
Der flexible Wärmetauscher von Miba wurde auf Dauerfestigkeit getestet: zum Beispiel übersteht er selbst 250.000 Druckstöße von 0,1 auf 2,5 bar unbeschadet. Ein flexibler Kühler hat den weiteren Vorteil, dass der Kontakt zwischen Wärmetauscher und Batterie unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen ist. Sowohl Variationen in der Höhe von Batteriezellen als auch fertigungsbedingte Variationen in der Einbauposition von Batteriezellen innerhalb eines Moduls werden kompensiert.
Die Kraft (eigentlich der durch die Kühlmittelpumpe erzeugte Druck), die den flexiblen Kühler an die Batteriezelle drückt, verursacht eine Gegenkraft. Wird dies bereits in der Konstruktion (zum Beispiel bei der Gehäusewanne) berücksichtigt, lässt sich Gewicht einsparen, da der flexible Kühler selbst wesentlich leichter als ein Aluminiumkühler ist. Damit sind Gewichtseinsparungen von bis zu 80 Prozent möglich.
Die Verwendung von flexiblen Materialien bringt schon bei der Produktion des Wärmetauschers viele Vorteile, da sich so Wärmetauscher für fast beliebige Batterieformate und Modulgrößen mit denselben Technologien fertigen lassen. Kurze Umrüstzeiten und eine adaptive, flexible Produktion sind hier ausschlaggebend. Die Montage im Fahrzeug selbst wird durch die Flexibilität und das geringe Gewicht und nicht zuletzt durch die Möglichkeit, den gesamten Wärmetauscher in einem Stück zu montieren, erleichtert.
Selbst gegen Ende der Lebensdauer der Batterie bietet ein flexibler Wärmetauscher einen entscheidenden Vorteil: Da keine irreversible Verbindung mehr zwischen Kühler/Gapfiller und Batteriemodul besteht, sind auch keine potenziell zerstörenden Kräfte nötig, um die Module vom Kühlkörper/Wärmetauscher zu trennen. Das Entleeren des Kühlmittels und öffnen des Gehäuses genügt, um den flexiblen Wärmetauscher herauszunehmen. Auch im Recyclingfall fällt die Trennung des Gapfillers von den Batteriemodulen und dem Kühler weg. Nicht zuletzt gestalten sich so auch Reparaturen einfacher.
Zusammenfassung
Bild 4: Ein flexibler Kühler gleicht Fertigungstoleranzen aus, hier abstrahiert dargestellt für die Montage von prismatischen Batteriezellen. Miba
Die gute thermische Verbindung zwischen Wärmetauscher und Wärmequelle ist der Kern einer guten Kühlung. Bei Batterien im Elektrofahrzeug sind die großen starren Objekte mit einer mehrere Millimeter dicken und damit entsprechend schweren Schicht aus Thermal-Interface-Materialien versehen. Ist der Kühler selbst flexibel, passt er sich schon bei hydrostatischen Drücken von 0,5 bar im Kühlkreislauf perfekt dem Batteriezellengehäuse an. Es entsteht eine effiziente thermische Verbindung. Ein Gapfiller wird nicht mehr benötigt. Das spart nicht nur Gewicht, sondern vermeidet auch die formschlüssige Verbindung zwischen Kühler und Batteriemodulen. Im Reparatur- oder Recyclingfall wird ein einfaches Trennen von Batterie und Wärmetauscher damit realistisch. Der Flexcooler passt sich fast beliebigen Geometrien an und benötigt mit den dünneren Kühlkanälen weniger Platz, wodurch die Packungsdichte im Batteriemodul ansteigt. Durch Kombination mit intelligenten flexiblen Materialien wird der Kühler zum Sensor der direkt an der Batterie die Temperatur misst, aber das ist eine andere Geschichte.
Stefan Gaigg
(na)
