Paraffin/Wasser-Dispersion

Neues Kühlkonzept für Batterien in Elektrofahrzeugen

12.11.12 | Autor / Redakteur: Christoph Taetz und Clemens Pollerberg * / Kristin Rinortner

Elektrobatterien: Blick unter die Haube des Elektroporsche mit der Startnummer 34 bei der Bertha-Benz-Challenge 2012
Bildergalerie: 15 Bilder
Elektrobatterien: Blick unter die Haube des Elektroporsche mit der Startnummer 34 bei der Bertha-Benz-Challenge 2012 (Bild: Ulrich Steinlechner)

Im Artikel stellen die Autoren ein Batteriekühlungskonzept für Elektroautos vor, bei dem eine neuartige Paraffin/Wasser-Dispersion als Kühlmedium eingesetzt wird.

Die Verwendung von neuartigen Wärmeträgermedien wie Paraffin/Wasser-Dispersionen (im Englischen auch Phase Change Slurries genannt) bietet die Möglichkeit, thermische Energie effizient zu speichern und zu transportieren. Darüber hinaus ist beim Einsatz dieser Dispersionen eine effektive sowie homogene Kühlung von elektronischen Bauteilen wie beispielsweise Batterien möglich.

Dieser Artikel beschreibt anhand eines thermischen Modells die Notwendigkeit der Batteriekühlung in einem Elektrofahrzeug sowie ein Konzept zu dessen Umsetzung mit einer Paraffin/Wasser-Dispersion als Wärmeträgermedium. Des Weiteren werden Herstellung und thermophysikalische Eigenschaften der Dispersionen vorgestellt. Abschließend werden Ergebnisse von Voruntersuchungen zur Temperierung eines Bauteils dargestellt, bei denen die Temperaturverteilung anhand von Thermographieaufnahmen vermessen wurde.

Thermisches Batteriemodell für den Temperaturanstieg

In einer Kooperation des Fraunhofer-Institutes für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT mit der Ruhr-Universität Bochum wurde ein thermisches Batteriemodell zur Bestimmung des Temperaturanstieges innerhalb der Batterie eines Elektrofahrzeuges (Golf-Klasse) entwickelt und bei verschiedenen Beanspruchungsfahrzyklen eine Simulationsrechnung zur Batterieerwärmung durchgeführt (detaillierte Erläuterung des Modells in [4]). Die verwendeten Fahrzyklen sind in Bild 1 dargestellt.

Es wurden drei Fahrzyklen für die Berechnung verwendet. Der Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ, Bild 1a) und der Federal Test Procedure – 75 (FTP, Bild 1b) sind Fahrzyklen, die in Europa bzw. in den USA bei der standardisierten Ermittlung von PKW-Verbrauchsdaten zur Anwendung kommen. Der NEFZ legt eine Fahrzeit von 19,67 min und der FTP eine Fahrzeit von 30 min zugrunde. Beide Fahrzyklen sind für die Berechnung aus Gründen der Vergleichbarkeit durch zyklische Wiederholung auf eine Stunde erweitert worden. Darüber hinaus wurde ein Extremszenario (Bild 1c – Autobahnfahrt) definiert, bei dem nach einer kurzen Beschleunigungsphase eine einstündige Autobahnfahrtfahrt mit 120 km h–1 des Fahrzeuges zugrunde gelegt wird. Die aus der Simulationsrechnung hervorgehende Batterieerwärmung für die drei oben genannten Fahrzyklen ist in Bild 2 dargestellt.

Die erzeugten Wärmemengen in der Batterie bei den unterschiedlichen Fahrzyklen betragen 461 W (NEFZ), 504 W (FTP) und 973 W (120 km h–1). Die daraus resultierenden Temperaturanstiege während dieser einstündigen Fahrzyklen ergeben 11 K beim NEFZ, 12 K während des FTP und etwa 30 K beim Extremszenario (Autobahnfahrt mit 120 km h–1). Die Batterie wird in diesem Modell als perfekt isoliert betrachtet.

Bei einer hohen Außentemperatur, bei der die Ausgangstemperatur der Batterie bereits erhöht ist, kann insbesondere während einer Autobahnfahrt die zulässige Höchsttemperatur der Batterie überschritten werden.

Thermomanagement mit Paraffin/Wasser-Dispersionen

Ein mögliches Konzept des Thermomanagements von Batterien in Elektrofahrzeugen ist schematisch in Bild 3 dargestellt.

Die Batterie (rechte Seite) erwärmt sich in Abhängigkeit ihrer Beanspruchung (Fahrzyklen). Dementsprechend wird Wärme mit Hilfe eines Wärmetägermediums aus der Batterie abgeführt. Das Wärmeträgermedium muss demzufolge wieder gekühlt werden. Dies erfolgt mit Hilfe des Kühlers (linke Seite), der den Fahrtwind nutzt, um das Wärmeträgermedium ohne zusätzlichen Energieverbrauch passiv rückzukühlen, sowie des Wärmeübertragers, der eine Verbindung zum Kältemittelkreislauf der Klimaanlage des Fahrzeuges herstellt und das Wärmeträgermedium aktiv kühlt.

Letzteres erfolgt bei zu hoher Umgebungstemperatur oder beim Laden der Batterie, wenn Strom aus dem Stromnetz zur Verfügung steht. Dabei wird auch ein Vorratstank mit Wärmeträgermedium „aufgeladen“, der als thermischer Speicher fungiert.

Als Wärmeträgermedium wird eine Paraffin/Wasser-Dispersion vorgeschlagen. Diese Dispersion besitzt eine hohe Wärmekapazität, die im Temperaturbereich von 20 bis 30 °C deutlich höher ist als die von Wasser, so dass mit einer hohen Energiedichte Wärme an Bord des Fahrzeuges mit Hilfe des kleinen Vorratstanks gespeichert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass weniger aktive Kühlleistung während der Fahrt zur Batteriekühlung verwendet werden muss, was wiederum einen positiven Einfluss auf die Reichweite des Elektrofahrzeuges hat. Außerdem wird erwartet, dass durch den Einsatz der Paraffin/Wasser-Dispersion in der Batterie eine homogenere Kühlung als mit Wasser erzielt werden kann.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Spamschutz 

Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein:
Kommentar abschicken

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 35709560) | Fotos: RUB, Ulrich Steinlechner

Fachwissen für Elektronik-Entwickler

Immer Mittwochs plus zu ausgewählten Themen: Fachbeiträge und Design-Tipps für die professionelle Elektronikentwicklung. Incl. Wochenüberblick: Die wichtigsten und meistgelesenen Meldungen der letzten sieben Tage.

* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung und AGB einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.
Heftarchiv
ELEKTRONIKPRAXIS 17/2014

ELEKTRONIKPRAXIS 17/2014

Test der Ethernet-Konformität mit dem Oszilloskop

Weitere Themen:

Beschleunigung mit MEMS messen
Vom Touch zur Gestensteuerung
Sieben Vorteile durch Laserlöten

zum ePaper

zum Heftarchiv

ELEKTRONIKPRAXIS 16/2014

ELEKTRONIKPRAXIS 16/2014

Ideen-Board für Spansions FM ARM Cortex-M MCUs

Weitere Themen:

Geld verdienen mit sozialen Medien
Hardware für digitale Hörgeräte
Chips für smarte Stromversorgung

zum ePaper

zum Heftarchiv

ELEKTRONIKPRAXIS 15/2014

ELEKTRONIKPRAXIS 15/2014

Das Internet of Things ist mehr als die Summe seiner Teile

Weitere Themen:

Welches Display ist das richtige?
Datenmanagement mit C-Controller
Sicherungen für die Raumfahrt

zum ePaper

zum Heftarchiv