Kälteanlage mit Latentwärmespeicher zur Batteriekühlung
Schnellladestationen mit Leistungen bis zu 350 kW ermöglichen eine Verkürzung der Ladezeiten für Elektrofahrzeuge auf unter 15 Minuten. Während des Schnellladevorgangs entsteht jedoch eine erhebliche Menge an Wärme in der Traktionsbatterie, weshalb ein effizientes Thermomanagementsystem erforderlich ist. Valeo und das VIRTUAL VEHICLE haben eine Kälteanlage mit Phasenwechselmaterial als Speichermedium entwickelt und untersucht, um eine Überhitzung der Batteriezellen zu vermeiden.
Für die Batteriekühlung wird normalerweise ein Kältemittelkreislauf im Thermomanagementsystem (TMS) verwendet, der immer öfter auch als Wärmepumpe genutzt wird. Diese Wärmepumpe nutzt Wärmequellen wie den Antriebsstrang, die Batterie oder die Umgebungsluft, um so die Reichweite bei kaltem Wetter zu verbessern.
Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau der Batterie mit der integrierten Kühlplatte, die von dem Kältemittelkreislauf gekühlt wird.
Das TMS hat neben der Batteriekühlung- und -heizung auch andere Aufgaben, wie die Kühlung und Heizung des Antriebsstrangs und die Kühlung-, Heizung und Entfeuchtung der Kabinenluft. Diese unterschiedlichen Anforderungen müssen bei der Entwicklung des TMS und seiner Regelung berücksichtigt werden.
Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) zeichnet sich dadurch aus, dass es während des Phasenwechsels große Wärmemengen aufnimmt beziehungsweise abgeben kann und dadurch als Wärmespeicher oder „Kältespeicher“ gut geeignet ist. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um durch das Umschalten zwischen folgenden zwei Betriebsarten, die in Summe zur Verfügung stehende Kälteleistung zu erhöhen:
-
Kabinenkühlung und Laden des PCM-Speichers:
In diesem Fall ist der Batteriepfad nicht aktiv, stattdessen wird der Kältekreislauf verwendet, um das Phasenwechselmaterial (PCM) im Speicher auf eine Temperatur unterhalb des Phasenwechsels zu kühlen und somit den „Kältespeicher aufzuladen“. Gleichzeitig ist die Kältemittelpumpe aktiv, um die Fahrgastzelle durch den Verdampfer zu kühlen.
-
Batteriekühlung und Kabinenkühlung mit PCM-Speicher:
Hier wird die Kabine mithilfe des PCM-Kältespeichers gekühlt. Das bedeutet, der Kältemittelkreislauf kann ausschließlich zur Kühlung der Batterie genutzt werden. Das erhöht die Batteriekühlleistung erheblich im Vergleich zur gleichzeitigen Kühlung von Batterie und Kabine aufgrund des höheren Saugdrucks, der eine höhere Kompressorleistung ermöglicht.
Durch die Nutzung dieser beiden Betriebsarten konnte – bei gleicher Kabinenkühlleistung – die durchschnittliche Leistung zur Batteriekühlung im Vergleich zu einem State-of-the-Art Referenzsystem um 22 % erhöht werden .
Fazit: Moderne Ladetechnologien erfordern auch eine Weiterentwicklung von Thermomanagementsystemen um die Sicherheit verschiedener Bauteile – insbesondere der Batterie – zu garantieren. Das VIRTUAL VEHICLE forscht gemeinsam mit Industriepartnern wie Valeo nach Technologien, die Elektromobilität und Mobilität im Allgemeinen sicherer und effizienter machen.
Weitere Informationen findet ihr im Beitrag, der im September 2023 im ATZ veröffenlicht wurde.
