Temperaturmanagement von Battery-Packs

Noch sind Elektrofahrzeuge eher eine Seltenheit auf deutschen Straßen. Doch das soll sich in den kommenden Jahren stark ändern. Wesentlich für die Akzeptanz dieser Fahrzeuge sind die Reichweite und der Preis. Mit entscheidend dabei ist die Lebensdauer der eingesetzten Batterie.

Dass die Firma CMC Klebetechnik dabei einen Lebensdauer-verlängernden Beitrag leisten kann, mag verwundern. Doch der in der Batterietechnologie heute noch wenig bekannte Mittelständler ist spezialisiert auf Hochleistungsfolien.

Heutige Elektrofahrzeuge nutzen alle zur Speicherung der elektrischen Energie Lithium-Ionen-Batterien. Diese Technologie ist im Bereich der tragbaren Computer und der Unterhaltungsindustrie ausgereift. Massenproduktion vor allem von Rundzellen hat den Preis stark reduziert, so dass heute kaum mehr andere Batterie-Arten eingesetzt werden.

Im Automobil werden Kombinationen aus einigen Dutzend Einzelbatterien zu sogenannten Battery-Packs zusammen geschaltet. Damit erreicht man die erforderliche Spannungshöhe und vor allem die Speicherkapazität, um dem Fahrzeug eine vom Kunden gewünschte Reichweite zu verleihen.

Doch Lithium-Batterien sind empfindliche elektrochemische Elemente. Tiefentladung und Überladung werden generell elektronisch vermieden. Denn Schädigungen des Separators zwischen den Elektroden durch die dabei entstehenden Dendriten (Abscheidung kompakten Metalls) können zu einem Verlust an Speicherkapazität oder sogar Kurzschluss führen. Üblicherweise sind diese BMS (Battery Management and Monitoring Systeme) bereits integraler Bestandteile von Li-ION-Batteriezellen.

Doch auch zu hohe Temperaturen oder Belastung bei tiefen Temperaturen lassen Li-ION-Batterien schneller altern bzw. erhöhen die Gefahr der Schädigung. Bei Kosten für einen Batteriesatz von etlichen Tausend EUR pro Elektrofahrzeug ein Schaden, der unbedingt vermieden werden muss. Denn nicht nur Reichweite, sondern auch die Anzahl von möglichen Ladezyklen sind ausschlaggebend für die Kaufentscheidung. Wer möchte schon nach wenigen Jahren ein Drittel oder mehr des Fahrzeugwertes aufwenden, um einen neuen Batteriepack zu kaufen.

Besonders bei Belastung erhitzen sich die dicht gepackten Einzelbatterien stark. Der Stromfluß erzeugt Verlustwärme, die effizient abgeführt werden muss. Das geschieht je nach Hersteller und Leistungsklasse über eine forcierte Luftkühlung (Lüfter) oder mit einer Flüssigkeitskühlung (Wasserkreislauf). Insgesamt eine ingenieurtechnische Herausforderung, die durch Anleihen aus der konventionellen Elektronik- und Fahrzeugtechnik recht einfach zu lösen ist.

Ein zusätzliches Problem stellt jedoch die Empfindlichkeit von Li-ION-Batterien gegenüber Lade- und Entladevorgänge bei tiefen Temperaturen dar. Sie lassen die Zellen schneller altern und verkürzen so die mögliche Einsatzdauer.

Um diesem Problem zu begegnen, muß ein Teil der in der tiefkalten Batterie gespeicherten Energie dazu genutzt werden, das Batteriepack und damit das Elektrolyt zu erwärmen.

Eine sehr elegante Methode dazu stellen elektrisch beheizbare Folien CMC 70010 dar, die wendelförmig um die „coffee-bags“ genannten Einzelelemente gelegt werden können. Sie geben eine einfach zu regelnde Menge an Wärme ab (max. ca 1 kW/m²). Die Hitzeentwicklung setzt sofort mit dem Anlegen einer Spannung ein. Dadurch wird die Batterie bereits unmittelbar nach dem Startvorgang erwärmt und in den optimalen Arbeitsbereich von 0-40°C gebracht.

Für diese Aufgabe bietet CMC Klebetechnik eine nur 50µm starke Polymerfolie (CMC70010) an. Sie hat mit 100 Ohm/Square und einer Temperaturbeständigkeit weit über 200°C. Optimale Voraussetzungen, um selbst in eng gepackten Batteriepacks platzsparend verbaut werden zu können. Der Widerstand ist sehr konstant über den gesamten Temperaturbereich und verändert sich auch durch Alterung nur wenig. Ideale Voraussetzungen, um zuverlässig die gesamte Lebensdauer der Batterie zu überstehen. Zudem ist die Folie inhärent flammhemmend nach UL94 VTM-0.

Durch den besonderen Aufbau behält die Folie anders wie bei Flächenheizelementen mit Kupferbahnen ihre Funktion auch bei Knicken oder Durchstoßen bei. Da die Folie erst bei weit über 300°C zerstört wird, hat sie einen enormen Sicherheitspuffer. Die Beständigkeit gegenüber Wärmealterung (Lebensdauer) ist daher extrem viel größer gegenüber z.B. Polyesterfolien.

Interessenten erhalten gerne Muster zugesandt, die durch einfaches Zuschneiden in Wärmeleistung, Spannungsklasse und Stromfluß „einstellbar“ sind.

Temperaturmanagement von Battery-Packs