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Effektive Wärmemanagementlösungen für Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen
Leistung, Langlebigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hängen eng mit ihrer Betriebstemperatur zusammen. Ein effektives Wärmemanagementsystem (TMS) ist unerlässlich, um Leistung, Sicherheit und Lebensdauer dieser Akkupacks zu gewährleisten. Seine Bedeutung ist vielfältig:
Sicherheitsgarantie: Erhöhte Temperaturen (typischerweise >60 °C) können zum Schmelzen des internen Separators der Batterie und damit zu einem Kurzschluss führen. Dies kann einen thermischen Durchgehen auslösen, ein katastrophales Ereignis, das zu Feuer oder Explosion führt.
Leistungserhaltung: Batterien erreichen ihre maximale Lade-/Entladeeffizienz nur in einem optimalen Temperaturbereich (normalerweise 20 °C bis 40 °C). Niedrige Temperaturen erhöhen den Innenwiderstand und führen zu einem starken Leistungs- und Kapazitätsabfall. Hohe Temperaturen beschleunigen irreversible chemische Reaktionen und führen zu dauerhaftem Kapazitätsverlust.
Verlängerte Lebensdauer: Untersuchungen zeigen, dass sich die Degradationsrate der Batterie mit jeder Erhöhung der Betriebstemperatur um 10 °C etwa verdoppelt. Präzises Wärmemanagement hält die Batterie in ihrem optimalen Bereich und verlängert so die Nutzungsdauer des Akkus erheblich.
Temperaturgleichmäßigkeit: Ein großer Temperaturgradient zwischen einzelnen Zellen innerhalb eines Akkupacks erzeugt einen „Eimerketteneffekt“, bei dem einige Zellen überladen oder überentladen werden, was den Leistungsabfall und die Alterung des gesamten Akkupacks beschleunigt. Ein optimales Wärmemanagement muss die Temperaturunterschiede zwischen den Zellen minimieren (idealerweise <5 °C).
Gezielte Strategien für verschiedene Bereiche des Batteriesystems
Ein typischer Batteriesatz kann in drei kritische Wärmemanagementebenen unterteilt werden, die jeweils eine eigene Strategie erfordern:
Ebene 1: Zellebene – Der Schwerpunkt liegt auf „Wärmeabsorption und -leitung“
Ziel: Die während der Lade-/Entladezyklen entstehende Wärme wird schnell absorbiert und effizient abgeführt. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Temperatur in der Zelle und verhindert lokale Hotspots.
Herausforderung: Zwischen den Zellen und innerhalb der Zellbaugruppen gibt es Lücken. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, müssen diese Räume mit Materialien gefüllt werden, die effiziente Wärmeleitbahnen schaffen.
Strategie:
Thermische Silikonpads:
Standort: Füllen größerer Lücken zwischen Zellen (typischerweise 0,5 mm – 3 mm); zwischen Zellen und Seiten-/Endplatten.
Vorteile: Bietet eine hervorragende Balance aus hoher Wärmeleitfähigkeit (wählbar, z. B. 1,5 W/mK, 2,0 W/mK, 3,0 W/mK), hoher Kompressibilität (gleicht Toleranzen aus und absorbiert Vibrationen) und hervorragender elektrischer Isolierung. Die erste Wahl zum Füllen größerer Lücken und zur Bereitstellung struktureller Unterstützung.
Wert: Leitet Wärme direkt von den Zellen ab und sorgt für eine gleichmäßige Temperatur, wodurch Hotspots vermieden werden.
Phasenwechselmaterialien (PCMs):
Standort: Um zylindrische Zellen gewickelt oder zwischen prismatische/Beutelzellen gefüllt.
Vorteile: Eine revolutionäre Lösung. Im Normalbetrieb leiten PCMs im festen Zustand Wärme. Erreicht die Zelltemperatur den Schmelzpunkt des PCMs (z. B. 45 °C), absorbiert es beim Schmelzen eine erhebliche Menge latenter Wärme. Dies unterdrückt effektiv einen schnellen Temperaturanstieg und bietet einen wichtigen Sicherheitspuffer.
Wert: Ermöglicht ein „intelligentes“ Wärmemanagement, ist ideal für die Bewältigung von Spitzenwärmeentwicklungen durch vorübergehende Hochleistungsereignisse (z. B. schnelle Beschleunigung) und ist ein Schlüsselmaterial zur Verhinderung eines thermischen Durchgehens.
Wärmeleitfähige doppelseitige Klebebänder:
Standort: Sichere Befestigung von Temperatursensoren, FPC/PCB-Probenahmeplatinen und anderen kleinen Komponenten direkt an Zelloberflächen oder Sammelschienen.
Vorteile: Bietet sowohl starke Haftung als auch Wärmeleitung und stellt so sicher, dass Sensoren die tatsächliche Zelltemperatur genau messen und Ungenauigkeiten durch Luftspalte vermieden werden.
Ebene 2: Modul- und Packebene – Der Schwerpunkt liegt auf „Wärmeübertragung und Temperaturhomogenisierung“
Ziel: Leiten Sie die von mehreren Zellen innerhalb eines Moduls gesammelte Wärme effektiv an das Kühlsystem des Pakets weiter (z. B. Flüssigkeitskühlplatten, Luftkanäle), und stellen Sie gleichzeitig den Temperaturausgleich zwischen den Modulen und im gesamten Paket sicher.
Strategie:
Thermische Silikonbänder:
Standort: Um einzelne Zellen oder kleine Module gewickelt.
Vorteile: Bieten grundlegende elektrische Isolierung und Wärmeschutz. Sie sind dünn, flexibel und einfach anzuwenden, wodurch sie sich ideal für die anfängliche Bündelung, Isolierung und schonende Temperaturhomogenisierung von Zellgruppen eignen.
Thermische Silikonpads (neu betrachtet):
Standort: Zwischen der Modulbasis und der Flüssigkeitskühlplatte; zwischen dem Batteriemodul und dem unteren Gehäuse des Packs.
Vorteile: Dies ist eine der kritischsten Anwendungen. Selbst bei präzisionsgefertigten Oberflächen bleiben mikroskopisch kleine Lücken. Wärmeleitpads füllen diese mikrometergroßen Hohlräume, minimieren den Wärmewiderstand an der Grenzfläche und maximieren die Kühleffizienz. Die Auswahl von Pads mit geringer Härte und hoher Kompressibilität ist entscheidend für die Konformität mit großen Flächen.
Wärmeleitgel oder hochleitfähige Silikonpads:
Standort: Wird in hochautomatisierten Produktionslinien zwischen Zellen/Modulen und der Kühlplatte verteilt oder im Siebdruckverfahren aufgebracht.
Vorteile: Durch die flüssige Anwendung lassen sich unregelmäßige Oberflächenspalten perfekt ausfüllen und ein nahezu null Wärmeübergangswiderstand erreichen. Nach dem Aushärten bildet sich ein elastisches, stoßdämpfendes Elastomer. Dies eignet sich ideal für High-End-Fahrzeuge, bei denen maximale Wärmeeffizienz von größter Bedeutung ist.
Level 3: Verpackung für die Außenumgebung – Der Schwerpunkt liegt auf „ultimativer Wärmeableitung und Isolierung“
Ziel: Die angesammelte Wärme muss über das Kühlsystem an die Umgebung abgegeben werden. Gleichzeitig muss das Gehäuse des Akkupacks wärmeisolierend sein, um die Zellen im Inneren vor extremen Umgebungsbedingungen (z. B. Sommersonne, Winterkälte) zu schützen.
Strategie: Verwenden Sie Wärmedämmmaterialien im Inneren des Akkupacks, um die Auswirkungen der äußeren Umgebungstemperaturen auf die innere Kerntemperatur zu mildern.
Erweiterte Anwendung unserer Materialien (potenzielle Entwicklung):
Aerogel-Decken:
Standort: Auf die Innenfläche der oberen Abdeckung des Batteriepacks laminiert oder als Barriere zwischen Modulen verwendet.
Vorteile: Stellen Sie den neuesten Stand der Isolierung dar. Ihre nanoporöse Struktur blockiert effektiv die Wärmeübertragung. Im Falle eines thermischen Durchgehens in einer einzelnen Zelle kann Aerogel die Wärmeausbreitung auf benachbarte Module und die Packungsabdeckung deutlich verzögern und so wertvolle Zeit für die Sicherheit der Insassen gewinnen.
Empfehlung: Durch die Integration von Aerogel-Lösungen in unser bestehendes Portfolio an leitfähigen Materialien könnten wir ein komplettes Paket vom „operativen Wärmemanagement“ bis zum „Schutz vor thermischem Durchgehen“ anbieten.
Fazit
Durch die systematische und strategische Anwendung unseres Portfolios an Thermische Silikonpads, Phasenwechselmaterialien, thermische Silikonbänder und wärmeleitende BänderWir können ein umfassendes, effizientes und sicheres Wärmemanagementsystem für Batteriepacks von Elektrofahrzeugen konstruieren.
Auf Zellebene: PCMs und Wärmeleitpads ermöglichen eine effiziente Wärmeaufnahme und -leitung an der Quelle.
Auf Modulebene: Wärmeleitpads und Lückenfüller Optimieren Sie den Schnittstellenkontakt mit dem Kühlsystem und maximieren Sie so die Wärmeableitung.
Auf Systemebene: Thermobänder und Leitfähige Bänder Nebenaggregate sichern und isolieren.
Wir bieten zahlreiche Lösungen zum Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge. Für weitere Informationen senden Sie uns gerne Ihre Anfrage. Wir sind jederzeit für Sie da!