Elektromobilität

Wie Graphitfolien die Lebensdauer und Sicherheit von Batterien erhöhen

| Autor / Redakteur: Simone Saile * / Thomas Kuther

Fraunhofer-Studie zeigt klaren Trend auf

Diesem Problem hat sich die jüngst erschienenen Studie „Spatial and Temporal Temperature Homogenization in an Automotive Lithium-Ion Pouch Cell Battery Module“ [Gepp, Lorentz, März, Geffray & Guyon, 2017] des Fraunhofer Institute für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB (Erlangen) gewidmet. „Der Trend ist klar erkennbar: Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen wird stetig steigen, wodurch die Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen in naher Zukunft verbessert werden wird. Wenn aber die Energiemenge zunimmt, steigern sich auch die Risiken. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass Sicherheitsaspekte zunehmend an Bedeutung gewinnen werden und stärker im Design berücksichtigt werden müssen. Und das ist der Punkt an dem für uns thermische Materialien besonders interessant wurden um eine wirtschaftlich vertretbare Alternative zu teuren Kühlmanagment-Lösungen zu bieten“ erläutert Markus Gepp, der die Studie anführt und auf dessen Ergebnisse hier näher eingegangen werden soll.

Neue Materialien optimieren das thermische Management

Das Interessante an seinem Ansatz ist, durch die Integration neuer Materialien das thermische Management zu optimieren und dazu auch noch Größe und Volumen maßgeblich zu reduzieren. Die Modulstruktur des vorgestellten BTM-Designs ist in Bild 1 zu sehen, die eine Schnittansicht von oben wiedergibt. Als Wärmeverteiler wurde dabei pyrolytische Graphitfolie (Pyrolytic Graphite Sheet/PGS) verwendet, bei der es sich um eine neue von Panasonic entwickelte, ultraleichte Graphitfolie handelt, deren thermische Leitfähigkeit fünfmal höher ist, als die von Kupfer.

Die PGS-Graphitfolien werden direkt und ganzflächig an die Zelloberflächen geklebt und mit PCM- und Metallprofilen durch flexiblen und thermisch leitfähigen Kleber verbunden. Das Elastomer basierte Phase-Change-Material ist dabei so eingestellt, dass es durch seine zusätzliche latente Wärmeaufnahme einen Puffer im oberen Betriebstemperaturbereich der Zellen darstellt. Es ist dabei dem Wärmepfad zwischen Zellen und Kühlplatten thermisch parallel geschaltet, wodurch dieser nicht unterbrochen wird. Die Aluminiumprofile sind als Formeinlagen für die gegossenen Kunststoffrahmen konzipiert und bieten mechanische Stabilität und eine thermische Schnittstelle zu den Kühlplatten.

Kommerzielle Flüssigkeitskühlplatten werden mit kompressiblen Gap Filler angebunden, um geometrische und produktionsbedingte Toleranzen zu kompensieren womit Luftspalte eliminiert werden können. Alle Zellen werden durch Ultraschallschweißen in Reihe geschaltet. Der Vorteil dieses Designs besteht darin, dass der Herstellungsprozess, auch für geringe Mengen wirtschaftlich rentabel ist.

Das thermische Konzept des Batteriemoduls wurde in enger Zusammenarbeit mit verschiedenen Industriepartnern entwickelt und basiert auf der Integration und dem Zusammenspiel thermischer Materiallösungen.

In der Umsetzung kam es schnell zu der Entscheidung, PGS von Panasonic einzubinden, Gepp erklärt das wie folgt: „Wir fingen zuerst an, mit einem Pouch-Zellen-Modul mit festen Graphitkühlplatten zu arbeiten. PGS war uns dann aber dank seiner geringen Materialdicke von 70 µm, Flexibilität/Biegezyklusstabilität und hohen Leitfähigkeit von 1000 W/mK aufgefallen. Dazu kommt, dass die Folie ohne weitere Umstände direkt an der Pouch-Zelle anzubringen war und dadurch einen niedrigen thermischen Kontaktwiderstand sicherstellt. Ebenfalls konnte durch die flexiblen Folien über entsprechende Entlastungsfalten in Kombination mit Schaumstoffen das Problem der Volumenzunahme der Zellen kompensiert werden, die sowohl innerhalb eines Ladezyklus als auch über die Lebensdauer auftritt.“

Die Ergebnisse seines Designs sprechen dabei für sich und können anhand der drei folgenden Kriterien referenziert werden:

  • Der Grad der räumliche Homogenisierung, der auf Basis der maximal gemessenen Temperaturdifferenz zwischen den Zellen definiert werden kann.
  • Der Grad der zeitlichen Homogenisierung, der durch den maximalen thermischen Widerstand bestimmt wird und dabei in Referenz steht zu dem Verhältnis maximaler Temperaturanstieg/abzuführender Verlustleistung.
  • Der Overhead, der hinsichtlich Gewicht und Volumen gemessen und angegeben wird und damit das mechanische Konzept unabhängig von den Zellen quantifizierbar und vergleichbar macht.

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Ganz interessant, aber - abgesehen von Grammatik- bzw. Rechtschreibfehlern - sollten doch...  lesen
posted am 13.10.2017 um 09:38 von Hajo


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