Elektrofahrzeugbatterien mit verbesserter Leistung dank neuartiger Kühlmittel
Der Verkehr ist für etwa 20 % der Energienutzung verantwortlich, und Elektrofahrzeuge konnten massiv auf den Markt für Personenkraftwagen vordringen. In den Sektoren Schwerlastverkehr, Schifffahrt und Luftfahrt, die für den größten Teil des Energieverbrauchs im Transportwesen verantwortlich zeichnen, ist die Verbreitung von Elektrofahrzeugen jedoch eher gering. Damit sich Elektrofahrzeuge im Verkehrssektor durchsetzen können, gilt es erhebliche technologische Herausforderungen zu bewältigen. Die Kundschaft verlangt nach größerer Reichweite, höherer Batteriekapazität und Schnelllademöglichkeiten. Mit der Optimierung der Leistung von Batterie-Wärmemanagementsystemen wird dazu beigetragen, diese Verbesserungen zu erreichen. Das Ziel des EU-finanzierten Projekts I-BAT(öffnet in neuem Fenster) besteht darin, das Wärmeverhalten von Batterien zu verbessern, indem Innovationen in Bezug auf Kühlfluide, Simulationsrahmen sowie Test- und Messausrüstung bereitgestellt werden, die eine rasche Industrialisierung von verbesserten Batterie-Wärmemanagementsystemen unterstützen.
Batterie-Wärmemanagementsysteme
Elektrofahrzeuge werden mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben, die einen thermischen Betriebsbereich von 5 bis 60 °C aufweisen. Die Aufrechterhaltung dieses Temperaturbereichs ist von entscheidender Bedeutung, und bei Batterie-Wärmemanagementsystemen kommen dabei typischerweise Luft, Wasser oder Glykol zur Kühlung der Batterie zum Einsatz. Kühlmittel können durch direkten Kontakt oder indirekt, wobei sie in einem Mantel um die Zellen zirkulieren, auf die Batterie einwirken. Die I-BAT-Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Strömungs- und Wärmeübertragungsleistung der Kühlflüssigkeit. Innerhalb des Projekts wurde auch untersucht, wie die Bauform der Zellen in der Batterie die Strömung optimieren kann. Die Forschenden haben an der Konzipierung von Batterien mit kontrollierten Strömungswirbeln gearbeitet, die den Kontakt des Kühlmittels mit den Oberflächenstrukturen der Batterie maximieren.
Kühlmittel auf Mineralölbasis
Mineralöle verfügen über dielektrische Eigenschaften, das heißt, sie leiten die elektrische Ladung nicht, sondern polarisieren sie. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz als Batteriekühlmittel. Das I-BAT-Team führte Zusätze in ölbasierte Fluide ein, um die nichtnewtonschen Eigenschaften des Kühlmittels zu optimieren. Die Viskosität nichtnewtonscher Fluide ändert sich unter Belastung, und die auf diese Weise hergestellten viskoelastischen Eigenschaften erleichtern den effizienten Strömung der Flüssigkeit um die Zellen einer Elektrofahrzeugbatterie. Die vom I-BAT-Team produzierten technischen Kühlmittel besitzen großes Potenzial. Projektkoordinator Michael Wensing erklärt dazu: „Es wurde eine neue Klasse von Kühlflüssigkeiten geschaffen, die den Anforderungen von Batteriesystemen entspricht und eine besonders stabile Strömung gewährleistet, die eine robuste und effiziente Tauchkühlung gestattet.“
Simulationsrahmen und Atomlage-Thermosäulen-Sensoren
Entscheidend für die Akzeptanz der Projektlösung ist die Fähigkeit, Innovationen bei Batterie-Wärmemanagementsystemen zu erproben. Das Team von I-BAT hat einen Multiskalen-Simulationsrahmen entwickelt, der Molekulardynamik, Mesoskalen-Modellierung(öffnet in neuem Fenster) und numerische Strömungsmechanik umfasst. Zudem wurden innerhalb von I-BAT Atomlage-Thermosäulen-Sensoren entwickelt, die mithilfe ultradünner Sensoren hochaufgelöste Daten über den Wärmestrom liefern. „Die vielversprechende Technologie hat bereits zur Gründung des Start-up-Unternehmens Hudyne(öffnet in neuem Fenster) geführt und birgt unserer Meinung nach ein außergewöhnliches Marktpotenzial für sowohl Produkte als auch damit in Verbindung stehende Dienstleistungen“, berichtet Wensing. Die industrielle Validierung wird die Markteinführung der Projektlösungen beschleunigen. Die Bereitstellung komplexer Instrumente zur Fluidanalyse und von Hochdurchsatz-Testausrüstung für Forschung und Entwicklung wird diesen Prozess unterstützen. Wensing dazu: „Spezialisierte Prüfgeräte sind für die Industrialisierung unerlässlich, da sie die Kalibrierung von Simulationen und die Bewertung von Fluideigenschaften und Auslegung ermöglichen.“ Die projekteigenen Entwicklungen werden zudem von Fiona Systems(öffnet in neuem Fenster), einem Start-up-Unternehmen auf diesem Gebiet, weitergeführt. Im Bereich der Batterien müssen mehrere technologische Hürden überwunden werden, wenn das Potenzial der Elektrofahrzeuge im Sinne einer kohlendioxidfreien Zukunft ausgeschöpft werden soll. Mit dem Schwerpunkt auf Batterie-Wärmemanagementsystemen hat das Team von I-BAT eine Lösung entwickelt, mit der das Wärmeverhalten von Batterien verbessert wird.
