Thermisches Batterieverhalten – Von den Grundlagen bis zur Systemintegration

Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen zum Thema ‘Lithium-Ionen-Batterien richtig temperieren’

Wie wichtig ist das richtige Temperaturmanagement für Lithium-Ionen-Batterien?

Die Temperatur ist in mehrfacher Hinsicht ein essenzieller Faktor. Das gilt zum einen für die Leistung und Effizienz der Batterien im Betrieb. Ebenso wichtig ist sie aber auch für eine lange Lebensdauer. Hier spielt die Temperatur sowohl im Betrieb wie auch während Ruhephasen eine entscheidende Rolle.

Welche Auswirkungen kann eine unzureichende oder übermäßige Temperatur auf die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien haben?

Niedrige Temperaturen führen zu einem Leistungsverlust und können zudem Degradationsprozesse begünstigen, welche die Lebensdauer reduzieren. Auch erhöhte Temperaturen rufen verschiedene parasitäre Nebenreaktion und damit Degradationsprozesse in den Batteriezellen hervor.

Welche Temperaturbereiche gelten als optimal für den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen?

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sollen nach den Herstellerangaben zumeist in einem Temperaturbereich von ca. -20 °C bis 60 °C betrieben werden. Hierbei können die Grenzbereiche aber bereits mit Leistungseinbußen oder Zellalterung verbunden sein. Ein optimales Betriebsfenster für LIB im Fahrzeugeinsatz liegt für die meisten aktuellen Systeme oft in einem deutlich engeren Temperaturfenster von ca. 20 °C bis 40 °C, welches durch ein Thermomanagementsystem gewährleistet werden kann.

Welche Maßnahmen werden ergriffen, um die Batterietemperatur innerhalb des optimalen Bereichs zu halten?

In aktuellen Elektrofahrzeugen kommt ein großes Spektrum verschiedener Temperierungskonzepte zum Einsatz. Das Design hängt dabei stark von der verwendeten Zellgeometrie (Rundzellen, Pouchzellen oder prismatische Zellen) und deren innerem Aufbau ab und wird auf den jeweiligen Fahrzeugtyp und dessen Anforderungen abgestimmt. Ein fundiertes Verständnis des Wechselspiels von äußerer Temperieranbindung und innerem thermischen Verhalten der Batteriezellen ist daher von zentraler Bedeutung für die Auslegung von effizienten Thermomanagementsystemen.

Gibt es Unterschiede im Temperaturmanagement zwischen der Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen, wie beispielsweise mobilen Geräten?

Mobile Geräte müssen typischerweise ohne ein aktives Thermomanagementsystem auskommen. Ein gutes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Temperatur, Betriebsverhalten und Lebensdauer ist daher für das Design, wie auch den Einsatz mobiler Geräte mindestens so wichtig wie für Elektrofahrzeuge.

Wie kann extreme Kälte oder Hitze die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien beeinträchtigen und wie kann dem entgegengewirkt werden?

Extreme Kälte oder Hitze verschärfen die ohnehin mit niedrigen oder hohen Temperaturen verbundenen negativen Wirkungen. Ein gut ausgelegtes aktives Thermomanagement ist hier die beste Antwort. Es erlaubt die Aufheizung wie auch Kühlung der Batterie, je nach individueller Situation, um die negativen Auswirkungen zu kompensieren und optimale Betriebsbedingungen bereitzustellen. In Einsatzfällen ohne Thermomanagement sind zumindest klare und durch Tests fundierte Nutzungshinweise notwendig.

Welche Rolle spielt das Temperaturmanagement bei der Schnellladung von Lithium-Ionen-Batterien?

Bei der Schnellladung kommt es aufgrund der hohen elektrischen Ströme zu einer hohen Wärmefreisetzung innerhalb der Batterie in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum. Hier ist ein effizientes und leistungsstarkes Thermomanagement, das den mit der Wärmefreisetzung einhergehenden Temperaturanstieg begrenzen muss, von besonderer Bedeutung.

Wie kann das Temperaturmanagement dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten?

Ein fundiert ausgelegtes Thermomanagement ist Teil der zentralen Sicherheitsstruktur von Batteriesystemen in Elektrofahrzeugen. Neben der Einstellung des optimalen Temperaturbereichs und damit der Vermeidung schädigender Betriebsbedingungen kommt dem Thermomanagement auch eine wichtige Bedeutung bei der Vermeidung und Eindämmung des sog. „Thermal Runaway“ bzw. der sog. „Thermal Propagation“ zu. Hierunter wird das Durchgehen einzelner Zellen beim Überschreiten kritischer Temperaturen und die Ausbreitung dieses Durchgehens auf weitere Zellen im Modul bzw. Batteriepack verstanden. Ein gut ausgelegtes Thermomanagement hilft, diese Zustände zu vermeiden bzw. zu verzögern und damit das Schadenspotential herabzusetzen.

Gibt es zukünftige Entwicklungen oder Technologien, die das Temperaturmanagement von Lithium-Ionen-Batterien weiter verbessern könnten?

Bei den innovativen Entwicklungen im Bereich des Thermomanagements von Elektrofahrzeugen ist z. B. die Immersionskühlung zu nennen. Bei dieser Technologie werden die Batteriezellen direkt durch ein Fluid umströmt und temperiert. Dadurch können deutlich höhere Wärmeabfuhren sowie eine homogenere Temperatur innerhalb des Batteriepacks aber auch innerhalb der Zellen erzielt werden. Dies ist insbesondere für thermisch kritische Betriebsfälle wie der Schnellladung von Bedeutung.