Thermo-Management für E-Car-Batterien durch Vakuum-Isolierung

| Autor / Redakteur: Michael Fischer, Jobst Kerspe * / Gerd Kucera

Bild 1: Zellbrände stehen immer wieder in Verbindung mit dem Elektro-Fahrzeug. Die patentierte GVI-Technik sorgt für eine konstante Wohlfühltemperatur der Batterie.
Bild 1: Zellbrände stehen immer wieder in Verbindung mit dem Elektro-Fahrzeug. Die patentierte GVI-Technik sorgt für eine konstante Wohlfühltemperatur der Batterie. (Bild: GVI/KÖNIG METALL)

Die Wohlfühl-Temperatur einer E-Car-Batterie liegt so um die 20 °C. Wird es zu kalt, dann ist der Weg von Minus nach Plus für die Ionen ein sehr zäher. Ist es zu heiß, kann es Zellbrand geben.

Die Anforderungen an Batterien, Akkus und deren Einbauten in Elektrofahrzeuge sind umfangreich und bisher nicht zur vollen Zufriedenheit gelöst. Vor allem das Wärme-Management ist dabei ein Flaschenhals, der den störungsfreien Betrieb bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen behindert. Hinzu kommt die stringente Forderung nach Leichtbau und Multifunktionalität. Geeignete Lösungsansätze versprechen die multifunktionalen Batteriegehäuse B:HOUSE, die auf der patentierten GVI-Technik aufbauen.

GVI steht für Gestützte Vakuum-Isolierungen; diese erreichen eine thermischen Regulierbarkeit, die anderen Thermolösungen völlig fehlt. Die Technik nutzt hierzu das Prinzip der Thermoskanne und besteht aus einer doppelwandigen, vakuumdichten Hüllstruktur, die evakuiert wird. Der Isolationsraum ist vollständig mit einem mikroporösen, oft sogar nanoporösen Füllmaterial ausgefüllt. Die winzigen Füllstoffen härten beim Einströmen von Gas aus und sie lösen sich wieder beim Ausströmen des Gases – dieser Vorgang reguliert die Kälte oder Wärme im Kern des Gehäuses. Der Vakuum-Effekt tritt bereits bei einem sehr geringen Gasdruck ein, das bedeutet, dass Gasmoleküle in der Nähe von Gefäßwandungen ihre normale Beweglichkeit verlieren und somit auch die Temperatur schwankt. Darüber hinaus hat der Füllstoff in diesen Vakuum-Isolierungen eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Stützfunktion: Die Dämmungen sind enorm druckbelastbar, Stützelemente werden obsolet.

Kommen wir zurück zu den Anforderungen von Batteriegehäusen und der Technikbeschreibung: Bei allen Batteriesystemen, seien es Li-Ionen oder NaNiCL, wird ein effektives Thermomanagement gefordert. Mithilfe der GVI-Technik werden multifunktionale Batteriegehäuse hergestellt, die sowohl das vollständige Thermo-Management als auch eine crashsichere Kapselung der Batterie ermöglichen.

Die in der Batterie gespeicherte, nutzbare elektrische Energie ist im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen begrenzt und kann im Schadensfall ein Vielfaches an chemischem Reaktionspotenzial freisetzen. Zudem sind die beim Laden und Entladen der Batterien ablaufenden chemischen Reaktion mehr oder weniger stark vom Temperaturniveau abhängig – nicht umsonst spricht man auch von der Wohlfühltemperatur einer Batterie. Diese Erkenntnisse führten hinsichtlich der Auslegung von Elektrofahrzeugen sowie deren Batterien und Batteriegehäuse zu einigen grundlegenden Vorgaben, die sich sowohl aus der Technik als auch aus diversen Regularien ergeben.

  • Die Kapselung muss den notwendigen Schutz vor äußeren mechanischen Einflüssen bieten (ECE R100-2; rüttelsichere Fixierung; sicheres Abtragen der hohen Batterie-Gewichtskräfte und Übertragung der Kräfte und Momente in die Fahrzeugstruktur).
  • Aktives und passives Thermo-Management zur Aufrechterhaltung der Batterie-Wohlfühltemperatur unter allen möglichen Betriebsbedingungen.
  • Schutz vor äußeren Bränden (ECE R100-2) sowie aktiver Umweltschutz; daraus entsteht die Anforderung einer Kapselung im Fall einer Havarie/eines Thermal Events.
  • EMV-Festigkeit.
  • Platz und Ressourcen schonende Leichtbauweise.

Bisherigen Konzepten ist es nicht gelungen, alle Anforderungen so zu erfüllen, dass sie keine Auswirkungen auf die Batterie-Leistungsfähigkeit hatten. Ein neuer Ansatz ist nun das B:HOUSE-Konzept von GVI, einer Division des Automobilzulieferers KÖNIG METALL. Das GVI-Konzept ist patentiert; es handelt sich dabei um die wie eingangs skizziert gestützte Vakuum-Isolierung. Bei ihr ist der Isolations- bzw. Vakuumraum mit einem mikroporösen Füllmaterial fest ausgefüllt und stützt damit die vakuumdichte Hülle gegen den äußeren Atmosphären-Druck ab. Auf diese Weise erhält das Dämmelement eine enorme Steifigkeit und mechanische Festigkeit. Darüber hinaus sind GVI-Strukturen in jeder beliebigen Form produzierbar sowie die den Vakuumraum bildenden Wände sehr dünn ausgeführt – eine Grundvoraussetzung für hochbelastbare Leichtbaustrukturen ist also bereits erfüllt (Bild 1).

Thermische Eigenschaften der Vakuum-Isolierung

Vakuum-Isolierungen, und hier gerade die evakuierten Dämmungen, haben sich mit herausragenden Dämmeigenschaften bereits einen Namen gemacht. Gegenüber den konventionellen Wärmedämmungen weist die GVI eine bis zu 30-fach bessere Isolierwirkung auf (Bild 2). Dadurch benötigen evakuierte Dämmungen einen deutlich geringeren Isolierspalt und somit weniger Platz, was das Ziel der Leichtbauweise unterstützt. Und auch die möglichen Anwendungstemperaturen sind sehr weit gesteckt: In der Standardausführung können diese Dämmungen vom absoluten Nullpunkt bis etwa 500 °C eingesetzt werden. Nur geringfügige Änderungen erlauben sogar eine Anwendung bei mehr als 800 °C.

Bild 2: Der prinzipielle Aufbau eines GVI-Gehäuses. Mit diesem Aufbau ist nahezu jede Geometrie möglich.
Bild 2: Der prinzipielle Aufbau eines GVI-Gehäuses. Mit diesem Aufbau ist nahezu jede Geometrie möglich. (Bild: GVI/KÖNIG METALL)

Wie bereits erwähnt, ist das Thermo-Management und damit die Regelbarkeit der Temperatur eine der größten Herausforderungen der Elektromobilität. Daher ist es als Durchbruch für die Automobilindustrie zu verstehen, dass die Isolierwirkung der GVI durch Einleitung geringer Mengen gut wärmeleitender Gase um das bis zu 100-fache verschlechtert werden kann (regelbare Wärmedämmung, RWD). Bei entsprechender Auslegung erfolgt diese Regelung ohne Pumpen, Ventile oder sonstige mechanische Stellglieder und ist beliebig oft wiederholbar, sodass sich die Dämmung am Ende eines Schaltzyklus wieder im Zustand „optimal“ befindet. Somit ist auch eine der größten Herausforderungen der E-Mobilität gelöst: Die Wohlfühltemperatur der Batterie kann geregelt und in der Folge ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht werden, unabhängig von äußeren Temperatur- und Wettereinflüssen.

Mechanische Stützwirkung durch Füllstoff

Ist eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Gehäuseinnentemperatur und der Umgebungstemperatur gegeben, ist es bei größeren GVI-Einheiten möglich, beträchtliche Energiebeträge über die Gehäuseoberfläche abzuführen. Aufgrund der vollständigen Kapselung der Dämmschicht können selbst schwankende Temperaturen nichts ausrichten. Bei fachgerechter Auslegung von GVI-Systemen kommt es beim Evakuieren zum Verpressen des dünnwandigen Hüllmaterials mit dem Füllstoff.

In der Folge verhält sich die GVI-Struktur wie eine hoch steife Sandwich-Struktur, die eine ausgezeichnete Stützwirkung mit sich bringt. Diese wiederum erlaubt es, großflächige, ebene Wandelemente mit dünnen Hüllwänden ohne Verrippungen herzustellen. Auch große, schwere Einheiten, zum Beispiel Batterieblöcke, werden ohne zusätzliche Stützelemente in der Isolierschicht gegen den äußeren Vakuummantel abgestützt. Das Gewicht wird so über die Dämmschicht auf die äußeren Stützen geleitet; dies spart zum einen zusätzliches Gewicht und verhindert zum anderen Wärmebrücken, die auf Kosten der Dämmeigenschaften gehen können.

Bild 3: 
Vergleich der spezifischen Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Dämmverfahren.
Bild 3: 
Vergleich der spezifischen Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Dämmverfahren. (Bild: GVI/KÖNIG METALL)

Das Vakuum ist von den Werkstoffen abhängig. GVI-Systeme erreichen bereits im Grobvakuumbereich ihre volle Wirksamkeit (Bild 3). Das charakteristische Vakuum bewegt sich zudem im Bereich von 0,1 mbar. Da dieses Vakuum über die geforderte Lebensdauer eines Gehäuses erhalten werden und ein Anstieg der Wärmeleitfähigkeit verhindert werden muss, ergeben sich einige Mindestanforderungen an die Auswahl der verwendeten Werkstoffe, deren Vorbehandlung und die Fertigungstechnik. Nicht zuletzt aus diesen Gründen werden die Hüllen der GVI-Strukturen nahezu ausschließlich aus austenitischem Edelstahl, gefertigt, zum Beispiel 1.4301, und vollständig einer Helium-Dichtheitsprüfung unterzogen. Austenit ist der Hauptgefügebestandteil vieler nichtrostender Stähle und der wichtigste Gefügebestandteil der austenitischer Legierungen und Stähle. Austenit ist benannt nach dem britischen Metallurgen Sir William Chandler Roberts-Austen, und ist die Bezeichnung für eine Modifikation (Phase) des reinen Eisens.

Das Gehäuse lässt sich mit der Kfz-Struktur verbauen

Nachdem nun die Technik und ihre Funktion beschrieben sind, bedarf es noch des entsprechenden Gehäuses, um die Lösung in der Automobilindustrie einsatzfähig zu machen. Die Grundidee: Sämtliche geforderten Funktionen und Eigenschaften sollen in ein Gehäuse vollständig integriert werden.

Bild 4: 
Spezifische Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Restgasdruck.
Bild 4: 
Spezifische Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Restgasdruck. (Bild: GVI/KÖNIG METALL)

GVI hat hierfür das B:HOUSE (bee house, Bienenhaus) entwickelt. Dieses multifunktionale Batteriegehäuse ist doppelwandig und hat je nach geforderten thermischen Eigenschaften eine Gesamt-Wanddicke zwischen 5 und 15 mm und nimmt je nach Anforderungen der Anwendung zahlreiche Funktionseinheiten in diesem doppelwandigen Aufbau auf (Bild 4). Es ergeben sich damit zahlreiche Möglichkeiten, um sowohl regulatorische Vorgaben zu erfüllen als auch individuellen Anforderungen zu begegnen.

  • Passive Klimatisierung: Mit der GVI-Technologie ist eine Wärmedämmung und Regelung der Dämmwirkung zur Wärmeabfuhr ohne Wärmetauscher möglich (Einflüsse des Umgebungsklimas werden ohne Energieaufwand aufgefangen).
  • Zusätzliche Baugruppen für ein aktives Thermo-Management, z.B. Kühler oder PCM-Wärmespeicher, lassen sich direkt im doppelwandigen Gehäuse verbauen. Eine oder mehrere Gehäuseinnenwand kann als Kühlfläche dienen, die mit einem Kälteaggregat außerhalb des B:HOUSE verknüpft werden.
  • Außerdem besitzt eine solche Vakuum-Dämmung exzellente mechanische Eigenschaften, sodass mechanischen Belastungen der Zelle abgefangen werden.
  • Bei entsprechender Auslegung lässt sich das Gehäuse als Teil der Kfz-Struktur verbauen.
  • Die Gehäuse sind ohne zusätzliche Baumaßnahmen EMV-fest (geschlossener Faraday’scher Käfig).

Die Gehäuse schützen die Zellen vor äußerem Brand (ECE R100/2) und dienen bei vollständiger Kapselung dem Umweltschutz. Dies gilt auch bei einem Thermal Runaway (thermisches Durchgehen) einzelner oder mehrerer Zellen. Thermisches Durchgehen bezeichnet die Überhitzung einer exothermen chemischen Reaktion oder einer technischen Apparatur aufgrund eines sich selbst verstärkenden Wärme produzierenden Prozesses.

Bild 5: Funktionen des Thermomanagements (Prinzipskizze).
Bild 5: Funktionen des Thermomanagements (Prinzipskizze). (Bild: GVI/KÖNIG METALL)

Ein Durchgehen führt häufig zu Brand oder Explosion und bewirkt infolgedessen eine Zerstörung der Apparatur durch Überdruck. Damit greifen Brände verzögert auf das Gesamtfahrzeug über; Zellchemie läuft ebenfalls nicht aus. Da alle genannten Eigenschaften in einem Gehäuse vereint werden, sind ressourcenschonende Leichtbaukonzepte möglich.

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* Michael Fischer ist Geschäftsbereichsleiter bei GVI/KÖNIG METALL, Gaggenau. Dr. Jobst Kerspe ist Berater der GVI-Fachabteilung TEB in Mauer bei Heidelberg.

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