Lebensdauer von Hochvoltbatterien erhöhen

Auf absehbare Zeit wird in einem vollelektrischen Fahrzeug die Batterie ein erheblicher Kostenfaktor darstellen. Die Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien und deren Fertigung bis hin zum Batteriemanagement-System sind vergleichsweise teure Bestandteile eines einbaufertigen Batteriepacks. Darum lohnt es sich, die Lebensdauer solcher Energiespeicher massiv zu erhöhen.

Die erreichbare Zyklenzahl von Lithium-Ionen Batterien – ein Maß für die Lebensdauer - wird neben anderen Einflussgrößen maßgeblich von der Betriebstemperatur der Zellen bestimmt. Denn der optimale Temperaturbereich ist vergleichsweise klein (20-30°C). Darum legen Hersteller von dicht gepackten Stromspeichern auch Wert auf eine ausreichende Kühlung. Denn nach der in der Elektronikbranche gebräuchlichen Daumenregel bewirkt eine Verringerung der Betriebstemperatur um 10°C eine Verdopplung der Lebensdauer der Batteriezellen.

Batteriepacks für Elektrofahrzeuge sind extrem dynamischen Bedingungen ausgesetzt. Forcierte Fahrweise erfordert hohe Entladeströme, kurze Ladezeiten ergeben große Ladeströme. Beide Situationen erzeugen erhebliche Verlustwärme, die in den Batteriezellen entsteht. Neben dem elektrischen Batteriemanagement (BMS) ist also das thermische Management wesentlich für die Lebensdauer eines solchen Energiespeichers.

Zur elektrisch bedingten Eigenerwärmung addiert sich die Umgebungstemperatur. Beträgt diese an warmen Sommertagen bereits 30°C, kommen in einem hermetisch dichten Batterie-Gehäuse schnell etliche Grad hinzu, so dass die Batterien sich schnell über die optimale Betriebstemperatur hinaus erwärmen können.
Besonders in den mittleren Bereichen eines Batteriestapels erhöht sich die Temperatur stärker, da die Wärme nicht so gut abfliessen kann wie in den Randbereichen. Kühlmaßnahmen wie Kontakt mit den metallenen Aussenwänden, Anschluß an den Kühlkreislauf des Fahrzeuges oder forcierte Ventilation helfen dabei wenig.

Wärmeableitung mit OHS™-Folien

An dieser Stelle kommt das neue Material OHS™ (Organic Heat Spreader) von Du Pont zum Einsatz. Die nur 0,06 mm starke Folie leitet Wärme mit bis zu 50 W/m*K über die Fläche in eine Richtung ab. Auf diese Weise entzieht die im Übrigen elektrisch isolierende Folie den einzelnen Batterieelementen die Stauwärme. Sie kann  z.B. zu einem Gap-Filler geleiten, der dann die thermische Verbindung mit einem Kühlkörper (Gehäuse) herstellt.  Zu diesem Zweck werden zwischen den einzelnen Zellen Formstanzteile aus OHS™ eingelegt.
Wegen der geringen Materialstärke von 60µm verliert man nur wenig Bauraum. Durch diesen Aufbau wird die durch den Stromfluss erzeugte Verlustwärme in den Zellen großflächig dem System entzogen. Dadurch trägt die OHS™-Folie wesentlich dazu bei, die Einsatzzeit solcher Energiespeicher durch Reduktion der Hitzeentwicklung zu erhöhen.

Erwärmung mit Kapton® RS

Jedoch ist auch der umgekehrte Fall für Lithium-Ionen Batterien schädlich. Temperaturen unter 0°C vertragen nur speziell dafür ausgelegte Batterie. Stromladung und Stromentnahme bei deutlichen Minusgraden führt durch chemische Ablagerungsprozesse in der Lithium-Ionen-Zelle zu einer beschleunigten Alterung. Im schlimmsten Fall können einzelne Batterien in einem Batteriepack sich thermisch verabschieden und in Brand geraten.

Doch auch dazu gibt es Lösungen: Kapton® RS ist eine nur 50µm starke Polyimid-Folie, die elektrisch beheizt werden kann. Sie wirkt als Ohmscher Widerstand und verhält sich über einen sehr weiten Arbeitsbereich (-100°C….240°C) sehr linear. Man kann je nach Aufbau (ausreichende Abführung der Wärmeenergie vorausgesetzt) bis zu 20W/cm² Wärme erzeugen.
Die hohe thermische Belastbarkeit macht diese Folie auch zur idealen Lösung für die Erwärmung von Festkörper-Lithium-Batterien, die sich bei höheren Temperaturen (ca. 80°C) wohlfühlen als herkömliche "nasse" Lithium-Zellen (10 bis 30°C).

Systemlösung für das Wärmemanagement von Hochvoltbatterien

Man fügt zwischen zwei Pouch-Zellen / Prismatischen Zellen im Batteriepack jeweils eine TemprionOHS™ und eine Kapton® RS Folie ein (Gesamtstärke ca. 0,11 mm). Mit dieser Kombination kann man die Batteriezellen innerhalb der Hochvoltbatterie je nach Notwendigkeit auf über 0°C aufwärmen oder überschüssige Wärme der Batterie entziehen. Und das mit einem extrem geringen Platzbedarf und sehr hoher Zuverlässigkeit. Zur besseren thermischen Anbiedung an nicht plane Oberflächen stehen verschiedene Thermal Interface Materialien zur Verfügung: wärmeleitende Klebstoffe und wärmeleitende Gap-Filler, die thermische Ausdehnungsunterschiede aufnehmen können.

Kapton® RS kann natürlich auch dazu verwendet werden, ganze Flächen innerhalb eines Fahrzeuges als Infrarot-Heizung zu nutzen. Was im Heimbereich sowie in industriellen Anwendungen schon lange seinen Einsatz findet, eröffnet auch im Auto neue Komfortmöglichkeiten. Eine solche Flächenheizung benötigt extrem wenig Bauraum, hat eine sehr geringe Reaktionszeit, ist im Verhältnis zu anderen Lösungen sehr leichtgewichtig und bietet ein hohes Maß an Designfreiheit. Kapton® RS funktioniert sogar dann noch, wenn es z.B. durch einen Fehler punktiert wird.

Neben den oben beschriebenen Spezialprodukten werden Kapton® Klebebänder mit einem alterungsbeständigen Acrylatkleber auch gerne und häufig dazu eingesetzt, um zum Beispiel die Anschlußfahnen von Lithium Ionen Batteriezellen zu isolieren.

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Weitere Folien für Batteriepacks

Kapton® HN: Standard-Polyimid-Folie für die elektrische Isolation und als Brandbarriere (UL94-V0)
Formex PP: Hochwertige Polypropylen-Folie mit hervorragender Flammhemmung (UL94-V0) als Brandschottung
Kapton® MT+: hoch wärmeleitfähige Polyimid-Folie mit exzellenter Durchschlagsfestigkeit