Batterien in Elektroautos mit Luft oder Wasser kühlen?

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Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus

In Elektroautos kommen aktuell Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Sie vertragen eine Vielzahl an Ladezyklen und weisen keinen nennenswerten Memory-Effekt auf. Die Lebensdauer in einem E-Auto soll 8 – 10 Jahre betragen. Eine Beschränkung der Ladung auf ca. 80–90 % der Gesamtkapazität soll die Lebensdauer drastisch erhöhen.

Leider weist die aktuelle Generation von Batterien auch eine ganze Reihe von Nachteilen gegenüber zukünftigen Feststoff-Akkus auf. Die offensichtlichsten sind die Wünsche nach höherer Ladekapazität, Verringerung des Gewichts, eine kürzere Ladedauer, geringere Umweltbelastung bei der Herstellung, Verringerung des Preises und genügend Recycling-Kapazitäten.

In E-Autos sind Akkus als Energiespeicher unterschiedlicher Hersteller eingebaut. Die Akku-Technik hat sich chemisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu unterwerfen und da gibt es leider Grenzen. Die ideale Temperatur für Akkus soll bei 20°C Grad – 25°C Grad liegen. Je kälter es wird, desto träger werden die Ionen. Irgendwann verweigert der Akku die Abgabe von elektrischer Leistung. Ein Akku hat ein Fenster für die Arbeitstemperatur und benötigt Erwärmung bzw. Kühlung bei schneller Ladung bzw. großer Leistungsentnahme.

Bauformen von Akkuzellen

Es werden flache Zellen produziert, die bei kleinem Bauraum große Oberflächen haben und zylindrischen Zellen, die kleine Oberflächen besitzen. Diese haben also ein ungünstigeres Verhältnis von Volumen zu Fläche. Die erzielbare Kühlleistung, ob mit Luft oder Kühlflüssigkeit, ist daher bei flachen Zellen größer als bei zylindrischen Zellen. Die Zellen werden in sogenannten Akkupacks für den Einbau in E-Autos konfektioniert.

Grundsätzliches zur Kühlung von Akkus

Die Kühlung muss so ausgelegt werden, dass die Kühlleistung höher ist, als die Wärmeleistung des Akkus. Bisher sind bei der Elektromobilität zwei Verfahren bekannt, um die Akkus zum Fahren zu kühlen.

Welche Akkus werden mit Luft gekühlt?

Bei flachen Zellen mit großen Oberflächen bietet sich die Luftkühlung an. Die Zellen sind prinzipiell der eigene Wärmetauscher für die Zuleitung von Wärme bzw. Ableitung von Kälte.

Bei großen Akkupacks könnte das Problem bestehen, dass bei einer Luftkühlung die Luft bei den hinteren Zellen bereits zu warm ist, um ausreichende Kühlung zu gewährleisten. In diesem Fall sind auf jeden Fall aufwändigere Systeme, also getrennte Zuluftkanäle oder eine kombinierte Wasser-Luft-Kühlung notwendig.

Wird klimatisierte Luft aus dem Fahrzeuginneren zur Kühlung verwendet, muss man neben dem Klimaaggregat eine Wärmepumpe einsetzen. Zusätzlich muss auch eine Akku-Heizung eingebaut werden.

Vorteil von Luftkühlung ist, dass weniger Teile im Auto verbaut sind, die kaputt gehen können und teuer (Material und Arbeitszeit) zu reparieren sind.

Die Akkus des Kia Soul EV und Hyundai IONIQ Electric werden mit Luft gekühlt. Bei Temperaturen unterhalb 5°C arbeitet beim Hyundai IONIQ Electric die Batterieheizung. Vor der Batterie ist ein eigenes PTC Heizelement angebracht. Ist das Fahrzeug mit dem Kabel mit einer Ladesäule verbunden, wird das Heizelement aktiviert und die warme Luft in den Akku geblasen. Bei der Fahrt wird die Wärme des Innenraums genutzt. Das PTC-Heizelement für den Akku ist nicht das gleiche das auch zur Erwärmung des Innenraums genutzt wird. Die Kühlung des Akkus erfolgt über ein Gebläse bei Temperaturen über 30°C Grad unter Nutzung des Klimakompressors.

Der Nissan Leaf und Nissan NV200 besitzen ebenfalls nur eine Luftkühlung und kühlen beim Laden des Akkus mittels der Klimaanlage.

Wenn die Luftkühlung unter Voraussetzung des klimatisierten Innenraums für den installierten Akku nach Ansicht des Herstellers ausreicht, wird man es auch so ausführen, weil es billiger ist.

Welche Akkus werden mit Frostschutzmittel gekühlt?

Mit einer Wasser-Luft-Kühlung, kann man eine größere und wahrscheinlich homogenere Kühlleistung erreichen, da Wasser eine hohe Speicherung von Wärme als Luft hat und gut geleitet werden kann. Das Wasser selbst wird wieder mit einem Wärmetauscher (Kühler) mit Luft gekühlt.

Bei niedrigeren Temperaturen muss der Akku mit einem Thermoelement geheizt werden.

Bei der Wasser-Luft-Kühlung gibt es auch Nachteile. In dem Beispiel Fahrzeug gibt es zusätzliche Kühlkreisläufe, Pumpen, Wärmetauscher, Ventilatoren, Ventile, Thermostate, Kühlflüssigkeit, viele Teile aus Kunststoff und diverse gebogene Schlauchverbindungen wie im aktuellen Toyota Prius Hybrid:


© Videoquelle YouTube und Urheberrecht: WeberAuto / Professor John D.Kelly

Es besteht ein hoher technischer Aufwand um Akkuzellen „wasserfest“ und trotzdem wärmeleitfähig mit Kühlmittelflüssigkeit zu machen. Solche aufwendige Konstruktionen sind schwerer und können im Laufe der Zeit Defekte durch Verschleiß und Alterung haben.

Wasser kann prinzipiell nicht kälter werden als die Umgebungstemperatur, aber wenn die klimatisierte Innenluft verwendet wird, kann man die Wassertemperatur weiter mittels Wärmepumpe absenken.

Die zylindrischen Rundzellen in den Tesla Modellen 3,S und X werden mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt. Auch beim Smart Electric Drive und FIAT 500e ist ein Akku mit einer Wasserkühlung implementiert.

Da drastische Einbrüche in der Leistung bei kalten Temperaturen reduziert werden müssen, kommt man um Erwärmung der Flüssigkeit nicht herum. Im Winter kann dank Heizung sehr schnell geladen werden, im Sommer dank Kühlung auch. Die Technik verbessert so die Lebensqualität der Zellen und sichert auch deren Lebenszeit.

Der Renault ZOE kühlt die Kühlluft für den Akku mit einem zweiten Verdampfer, da ein Kältemittel effizienter ist als Luft.

Probleme bei kleinen Akkus

Je kleiner ein Akku ist, desto eher geht die Temperatur hoch, wenn man oft Leistung abruft. Das ist auch der Grund warum kleinen Akkus bei höherer Geschwindigkeit auf der Autobahn so schnell an Leistung verlieren.

Es kommt nicht allein darauf an wie die Akkus gekühlt und geheizt werden, sondern auf das Zusammenspiel mit der Steuerungselektronik für das Akkumanagement und Balancing der Zellen. Vermutlich sind auch Fahrzeuge, die keinen Inverter (Wechselrichter) für das Schnellladen in der Serienausstattung haben, schwächer im Akku-Management ausgelegt.

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