Immersionskühlung: Ein kurzer Vergleich von EV-Batterie-Wärmemanagementkonzepten

In einem unserer letzten Artikel haben wir uns mit dem Phänomen (und dem Problem) des thermischen Durchgehens in Batterien – insbesondere Lithium-Ionen-Batterien – befasst und gezeigt, dass Ingenieure oft unter Druck stehen, wirksame Methoden zur Abschwächung der Hitze zu finden, die das thermische Durchgehen verursacht.

In diesem Artikel machen wir dort weiter, wo wir aufgehört haben, und erläutern eine der neuartigsten Technologien für das Wärmemanagement von Batterien, die sowohl große technische Herausforderungen als auch noch größere Versprechungen für ultraschnelles Laden mit sich bringt – die Immersionskühlung.

Der aktuelle Stand der Technik bei der Batteriekühlung

Um die Rolle der Immersionskühlung in der Entwicklung der EV-Technologie zu verstehen, sollten wir zunächst darüber sprechen, was Immersionskühlung nicht ist. Es gibt eine Handvoll anderer branchenüblicher Kühlmethoden, die – wenn auch weniger effektiv – sowohl einfacher als auch billiger zu implementieren sind als die Immersionskühlung.

Die erste und einfachste Methode ist die passive Luftkühlung. Man lässt einfach Luft über die Batterie strömen und die Wärme abführen. Wenn das Fahrzeug in Bewegung ist und die Luftströmung in der Umgebung richtig geführt wird, ist diese Methode in der Regel gar nicht so unwirksam. Die stärkste thermische Belastung erfährt die Batterie jedoch während des Ladevorgangs, wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt (z. B. durch regeneratives Bremsen). Um den ständig steigenden Ladeanforderungen heutiger Fahrzeuge gerecht zu werden, werden passiv luftgekühlte Systeme also immer mehr überflüssig. Auf der Leiter der Effektivität kommen wir nun zu den aktiv luftgekühlten Systemen. Diese Systeme nutzen weiterhin die vorteilhaften Eigenschaften von Luft als Kühlmittel, erreichen aber höhere Kühlraten, da der Luftstrom über die heiße Batterie nun aktiv durch einen Ventilator oder eine Pumpe (offene bzw. geschlossene Konfigurationen) angetrieben wird. Mehr Luftstrom bedeutet mehr Wärme, die von der (größeren) Luftmasse absorbiert und abgeführt werden kann.

Eine kurze Anmerkung zur Terminologie

Wenn Ingenieure und Wissenschaftler über Wärmemanagementprobleme wie dieses sprechen, beziehen sie sich in erster Linie auf den „Wärmeübergangskoeffizienten“. Während die physikalische Herleitung des Koeffizienten das Thema einer Woche Wärmeübertragungstheorie auf College-Niveau ist, kann der Laie ihn als Maß dafür betrachten, wie effektiv die Wärme in einem bestimmten Szenario von dem Ort, an dem sie sich befindet, zu dem Ort gelangt, an dem man sie haben möchte.

Zurück zum Thema Luft…

Luft ist zwar nicht korrosiv, ungiftig, im Überfluss vorhanden und (im Grunde) kostenlos, aber sie ist relativ schlecht im Übertragen von Wärme. Das ist der Grund, warum Doppelglasfenster so effektiv sind, und warum Daunenjacken so warm sind. Die einfache Erklärung für die isolierende Wirkung von Luft ist, dass es sich um ein Gas handelt – Gase haben unter Standardbedingungen in der Regel eine um 2-3 Größenordnungen (100- bis 1000-fach) geringere Dichte als Flüssigkeiten und Feststoffe und leiten daher Wärme sehr schlecht. Typische Werte für technische Wärmeübertragungssysteme mit Luft als Kühlmittel liegen im Bereich von 5-30 W/m²K (wenn Ihnen die Einheiten nichts sagen, ist das in Ordnung – Sie müssen nur wissen, dass wir die Werte mit denselben Einheiten vergleichen werden).

Und was ist mit Flüssigkeiten?

Aufgrund ihrer höheren Dichte und höheren Wärmeleitfähigkeit sind Flüssigkeiten in der Regel (vereinfacht gesagt…) viel effektiver bei der Absorption von Wärme als Gase. In der Tat werden Flüssigkeiten seit den 1940er Jahren in der Automobilindustrie zur Kühlung eingesetzt. Am bekanntesten ist das Beispiel des klassischen Autokühlers: ein System, das flüssiges Kühlmittel durch heiße Motorräume pumpt und diese Flüssigkeit dann mit Luft kühlt, die über eine Reihe winziger Metallrippen strömt.

Flüssigkeitsgekühlte Batteriesysteme haben eine ähnliche Anordnung. Einige einfachere Systeme dienen der Kühlung großer Platten, die zwischen den Batterien liegen (man denke an zwei Hamburger-Brötchen, die zur Kühlung eines heißen Patties im Inneren verwendet werden). Solche Systeme werden als Cold-Plate-Systeme bezeichnet. Zum Vergleich: Solche Kühlplattenkonfigurationen erreichen einen Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten im Bereich von 50-100 W/m²K, deutlich besser als luftgekühlte Systeme allein.

Immersionskühlung: Das nächste Level

Bis jetzt haben wir Systeme erwähnt, die weitestgehend indirekt arbeiten. Das heißt, der thermische Weg von der heißen Sache (den eigentlichen Batteriezellen) zur kalten Sache (Luft, flüssige Kühlflüssigkeit usw.) ist mit Hindernissen gespickt. Bei klassischen EV-Batteriekonzepten werden die einzelnen Zellen miteinander verbunden und dann in einem Gehäuse untergebracht, das in vielen Fällen spezielle Barrieren enthält, um zu verhindern, dass sich Brände in einer Zelle oder einer Gruppe von Zellen auf benachbarte Zellen ausbreiten. Die Wärme muss zunächst durch diesen Dschungel aus Gehäuse und feuerfesten Barrieren fließen (bei deren Konstruktion in der Regel das Gewicht und die strukturelle Robustheit im Vordergrund stehen – nicht die Wärmeleitfähigkeit), bevor sie entweder die Kühlplatte oder die Luft zu Gesicht bekommt.

Die Innovation der Immsersionskühlung vereinfacht den Weg, den die Wärme nehmen muss, um die Batterie zu verlassen, drastisch. Und wie? Wie der Name schon sagt, sind die einzelnen Zellen bei einem tauchgekühlten System tatsächlich in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit. Die Zellen werden immer noch durch eine Art Gehäuse gehalten, aber das Kühlmittel wird durch kleine Hülsen neben den einzelnen Zellen gepumpt.

Welche Anforderungen stellt dies an das Kühlmittel? Muss es im Falle eines thermischen Durchgehens unbrennbar sein? Ja. Und noch wichtiger: Darf es Strom leiten? Nein. Wasser funktioniert also nicht? Nein. Ist die Abdichtung des gesamten Systems eine technische Herausforderung? Ja.

Aber es gibt hier ein größeres Bild, denn der zusätzliche Aufwand für die Konstruktion und Umsetzung eines solchen Systems wird mit einem viel besseren Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten belohnt. Tatsächlich erreichen einige immersionsgekühlte Systeme rund 150 W/m²K. Das ist der Grund, warum immersionsgekühlte Batterien auf dem sich schnell entwickelnden Markt für Elektroautos so viel Aufmerksamkeit erhalten – sie ermöglichen ultraschnelles Laden. Die thermischen Anforderungen eines solch intensiven Ladevorgangs erfordern ein effektives System zur Ableitung dieser Wärme, und die Immersionskühlung erfüllt diese Anforderungen.