Batterie-Thermomanagement

Das Batterie-Thermomanagement umfasst die Gesamtheit der Systeme, die die Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs in jeder Nutzungsphase in ihrem bevorzugten Temperaturbereich halten: beim Fahren, beim Laden und sogar im geparkten Zustand. Lithium-Ionen-Zellen arbeiten am besten in einem recht engen Band, grob zwischen etwa 15 und 35 Grad Celsius. Außerhalb dieses Fensters verschlechtert sich ihr Verhalten: Kalte Zellen geben oder nehmen Strom nur widerwillig auf, während heiße Zellen unter beschleunigter chemischer Alterung leiden und im Extremfall ein thermisches Durchgehen riskieren. Das Thermomanagement hält den Akku unabhängig von den Umgebungsbedingungen oder den an ihn gestellten Anforderungen in seinem idealen Bereich.

Der in modernen E-Autos häufigste Ansatz ist die Flüssigkeitskühlung. Ein Kühlmittel, meist ein Wasser-Glykol-Gemisch, wird durch Kanäle, Platten oder Rohre gepumpt, die in engem Kontakt mit den Zellen verlaufen, und führt die Wärme zu einem Kühler ab oder gibt sie über einen mit der Klimaanlage des Innenraums geteilten Kältekreis ab. Derselbe Kreislauf kann umgekehrt arbeiten, um den Akku mithilfe von Widerstandsheizern oder einer Wärmepumpe zu erwärmen. Über den Akku verteilte Sensoren melden die Zelltemperaturen an das Batteriemanagementsystem, das entscheidet, wann gekühlt, wann geheizt und wie energisch vorgegangen wird, und dabei die Batteriegesundheit gegen den Energieaufwand für Pumpen und Verdichter abwägt. Einfachere oder ältere Auslegungen setzen auf Luftkühlung, bei der Innenraum- oder Umgebungsluft an den Zellen vorbeigeführt wird, was günstiger und leichter ist, aber der bei anhaltend harter Fahrt oder Hochleistungsladen entstehenden Wärme weit weniger gewachsen ist.

Am meisten zählt dies an den Extremen. Beim DC-Schnellladen erzeugen hohe Ströme erhebliche Wärme, die rasch abgeführt werden muss, sonst drosselt das System die Ladeleistung zum Schutz der Zellen. Bei zügiger Fahrt erwärmen wiederholtes kräftiges Beschleunigen und Rekuperieren den Akku, und eine wirksame Kühlung ist es, die einem Fahrzeug erlaubt, Runde um Runde gleichbleibende Leistung zu liefern, statt mit zunehmender Erwärmung der Batterie nachzulassen. Kaltstarts stellen das umgekehrte Problem dar, bei dem der Akku erst erwärmt werden muss, bevor er volle Leistung abgeben oder eine Schnellladung aufnehmen kann.

Ein gutes Thermomanagement ist einer der Hauptgründe, warum moderne Akkupacks so langsam altern. Indem es die Zellen von den hohen Temperaturen fernhält, die einen irreversiblen Kapazitätsverlust antreiben, und von der Kälte, die beim Laden schädliches Lithium-Plating begünstigt, bewahrt das System die nutzbare Kapazität über viele Jahre und Zehntausende von Ladezyklen. Frühe Elektrofahrzeuge mit rudimentärer oder fehlender Kühlung zeigten oft eine merklich schnellere Alterung als die heutigen flüssigkeitsgekühlten Akkupacks.

Das Thermomanagement bildet die Grundlage mehrerer verwandter Funktionen und Begriffe. Es ist die ermöglichende Technik hinter der Batterievorkonditionierung, die nichts anderes ist als gezielt vor einem Ladevorgang angewandtes Thermomanagement. Es arbeitet mit der Wärmepumpe des E-Autos zusammen, teilt sich Hardware mit der Innenraumklimatisierung und ist entscheidend dafür, wie eine Hochvoltbatterie über ihre Lebensdauer hinweg sowohl Schnellladen als auch hohe Leistung sicher bewältigt.