Höhere Ladegeschwindigkeit, Reichweite und Lebensdauer

Ludwigsburg, 22. Mai 2023 – Bei E-Autos spielt die optimale Temperierung des Batteriesystems eine zentrale Rolle für dessen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Beste Ergebnisse verspricht hier das bereits in Rechenzentren eingesetzte Prinzip der Immersionskühlung. Mit einem neuen Filtrationsmodul für Kühlflüssigkeiten präsentiert der Ludwigsburger Filtrationsspezialist MANN+HUMMEL auf der Battery Show Europe 2023 in Stuttgart eine effiziente Technologie, die einen wichtigen Beitrag zum klimaschonenden Verkehr der Zukunft leisten kann (Halle 4, Stand D27).

Die optimale Betriebstemperatur einer Lithium-Ionen-Batterie liegt häufig im Bereich zwischen 15 und 35 Grad Celsius. Oberhalb dieser Marke, das zeigen Studien, lässt die Speicherkapazität des Akkus nach. Ein wesentlicher Faktor ist – neben den Außentemperaturen – die durch den Innenwiderstand bedingte Selbsterwärmung der Zellen, die besonders bei hohen Lade- oder Entladeströmen auftritt. Diese Wärme muss durch eine effiziente Kühlung des Batteriesystems zuverlässig abgeführt werden. Folge einer unzureichenden Kühlung ist eine schnellere Alterung der Batterie, was zu irreversiblen Reichweitenverlusten führt. „Batterien erhitzen sich beim Fahren und beim Laden“, fasst Andreas Haller, Innovation Project Manager bei MANN+HUMMEL, knapp zusammen. „Damit wird die Batteriekühlung zu einem elementaren Baustein für die Akzeptanz und Sicherheit der batterieelektrischen Mobilität.“ Stichwort Sicherheit: Wird innerhalb der Batterie der kritische Wert von 60 Grad Celsius überschritten, kann es gefährlich werden – denn dann steigt das Risiko der inneren Zersetzung der Batteriezelle (Thermal Runaway), die einen Batteriebrand oder gar eine Explosion auslösen kann, vor allem, wenn das Ereignis auf benachbarte Zellen überspringt (Thermal Propagation).

Entsprechend intensiv wird an der „richtigen“ Kühlung geforscht. Letzter Stand der Technik ist die unter den Batteriezellen liegende Kühlplatte, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Bei der Immersionskühlung hingegen sind die Zellen direkt von der Flüssigkeit umströmt, sodass entstehende Hitze dank der größeren Kontaktfläche wesentlich besser abgeleitet werden kann. Darüber hinaus bleiben Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen und daraus resultierende unerwünschte Wärmeströme gering, was sich positiv auf die Systemlebensdauer auswirkt. „Die Vorteile liegen auf der Hand“, meint Haller. „Durch Immersionssysteme wird der Betrieb sicherer, Ladeleistung, Reichweite und schließlich auch die Lebensdauer erhöhen sich.“

Ein entscheidender Pluspunkt ist das durch die Immersionskühlung ermöglichte ultraschnelle Laden in etwa zehn Minuten. Haller: „Bislang galt: größere Batterie, größere Reichweite. Das ultraschnelle Laden indes ermöglicht den Einbau kleinerer Batterien. Diese müssen zwar nach einer vergleichsweise kürzeren Strecke wieder geladen werden, aber durch die verringerte Ladezeit sinkt die Gesamtreisedauer deutlich. Bei einer Fahrt von fünf-, sechshundert Kilometern, auf der mit allen Systemen ein einmaliges Laden erforderlich wird, kann das einen Unterschied von weit über einer Stunde ausmachen. Durch ihr geringeres Transportgewicht und geringere Emissionen bei der Herstellung bedeuten kleinere Batterien letztlich auch weniger Umweltbelastung.“

In anderen Technologiebereichen wird die Immersionskühlung bereits seit längerer Zeit erfolgreich eingesetzt – beispielsweise zur Kühlung von Hochleistungsservern in Rechenzentren oder im E-Motorsport. „Unter harten Alltagsbedingungen besteht die technische Herausforderung unter anderem darin, dass Oberflächenpartikel in die Kühlflüssigkeit gelangen können, wodurch es zu Pumpenverschleiß oder Kurzschlüssen im Akku-Inneren kommen kann“, erklärt Haller. „Außerdem dringt bei der Entlüftung Luftfeuchtigkeit ein. Dies alles führt zum Verlust der Isoliereigenschaften, zu Korrosion und Verschmutzung. Um eine Effizienzminderung und Schäden an den Batteriezellen zu verhindern, ist die verwendete Kühlflüssigkeit nicht elektrisch leitfähig, um Kurzschlüsse zu vermeiden; Wasseranteile und Partikel werden herausgefiltert und abgetrennt.“ Ein weiterer kritischer Parameter ist der Bauraum. Das E-Fluid-Filtrationsmodul von MANN+HUMMEL ist deshalb sehr flach und wird direkt neben der Batterie unter dem Fahrzeug angebracht.

Die Immersionskühlung gilt längst nicht mehr als High-End-Nische, wie vielfach zunächst angenommen. Im Gegenteil: Hinter der Technologie steckt ein großes Marktpotenzial. Neben Rennsport und Premium-Segment hat man inzwischen auch den Massenmarkt im Blick. „Monat für Monat verzeichnen wir ein wachsendes Interesse“, freut sich Haller. „Wer viel laden oder länger fahren will, kommt um die Immersionskühlung mittelfristig nicht herum.“