Die Batterie ist der Schlüssel für den Markterfolg batterieelektrischer Fahrzeuge. Um die notwendige Energiemenge für den Antrieb zuverlässig bereitstellen zu können, ist sie nicht nur auf eine leistungsfähige Zellchemie, sondern auch auf eine perfekte Temperaturregelung angewiesen. Derzeit schreitet die technische Entwicklung schnell voran, und mit ihr steigt die Leistungsdichte der Akkus. Dies ist jedoch mit neuen Herausforderungen beim thermischen Verhalten der Stromspeicher verbunden. Bei Betriebstemperaturen von mehr als 40 Grad leidet die Lebensdauer der Zellen, bei Temperaturen unter minus zehn Grad sinken der Wirkungsgrad und die Leistung der Batterie.
Direkte und indirekte Kühlung
Fliessen in der Batterie grosse Ströme – wie beim Boosten, beim Rekuperieren und beim Laden –, erwärmen sich die Zellen, sodass die Betriebstemperatur besonders bei hohen Aussentemperaturen schnell einen kritischen Wert erreicht. Daher ist eine Überwachung der Temperatur und deren Regulierung dringend vonnöten. Wichtig ist auch, dass der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Zellen im Rahmen bleibt.
Bei der direkten Batteriekühlung mit Kältemittel besteht der Kreislauf aus den Hauptkomponenten Kondensator, Verdampfer und Batteriezellen mit Kühlplatte sowie elektrischem Zuheizer. Dieser Kreislauf wird vom Kältemittel der Klimaanlage versorgt und über Temperatursensoren und Ventile gesteuert.
Je leistungsstärker eine Batterie ist, desto mehr Sinn ergibt der Einsatz eines komplexen kühl- und kältemittelbasierten Kreislaufs. Diese indirekte Batteriekühlung unterteilt sich in mehrere Kreisläufe, die über je einen eigenen Kühler, eine Kühlmittelpumpe, einen Thermostat und ein Absperrventil verfügen. Über einen Wärmetauscher, den sogenannten Chiller, wird auch der Kältemittelkreislauf der Klimaanlage mit eingebunden, und ein Hochvolt-Kühlmittelheizer sorgt für die Temperierung der Batterie bei niedrigen Aussentemperaturen – wichtig, um hohe Ladeleistungen zu erzielen.
Anschmiegsamer Cooler
Das Thermomanagement der Batterien ist nicht nur entscheidend für die Reichweite der Fahrzeuge und die Lebensdauer der Batterien, sondern auch für deren Schnellladetauglichkeit. Zur Erfüllung all dieser Anforderungen geht der Trend in Richtung Flüssigkeitskühlung. Dabei ist vor allem die Realisierung einer guten thermischen Verbindung zwischen Batteriemodulen und -zellen mit dem Kühlkörper eine Herausforderung.
Durch die Anpassungsfähigkeit der Oberfläche des vom österreichischen Zulieferer Miba neu entwickelten Flexcoolers kann sich das Kühlelement fast lückenlos an die Geometrie der zu kühlenden Elemente sowie anderer Komponenten anlegen und so eine formschlüssige, jedoch zerstörungsfrei trennbare Verbindung schaffen. Durch Beaufschlagung des notwendigen Betriebsdrucks der Kühlflüssigkeit dehnt sich der Flexcooler aus, bis er eine enge Verbindung mit den Batteriezellen und dem Modul oder dem Gehäuse eingeht. Der Flexcooler ermöglicht es dabei auch, ohne Nachbearbeitung oder den Einsatz von Füllmaterial fertigungsbedingte Toleranzen auszugleichen. Miba Battery Systems produziert Batterielösungen in ihrer Voltfactory in Bad Leonfelden (A). Dort entstehen auch Batterien mit Flexcooler-Kühlung für die Modelle der neuen italienischen Marke Aehra.
Feuerbarrieren
Die Sicherheitsanforderungen, eine thermische Propagation zu vermeiden, also das Verbrennen von Batteriezellen in einer Kettenreaktion, stellen in der Batterieentwicklung eine grosse Herausforderung dar. Viele technische Entwicklungen sehen ein Zell-Update vor, um mit neuen Zellchemien die Reichweite zu erhöhen oder die Kosten zu senken. Damit verbunden ist nicht selten ein aggressiveres Zellverhalten bei einem thermischen Durchgehen. Dabei werden in der Regel mehr Gase und Partikel ausgestossen als bei früher eingesetzten Zellchemien, was die Feuergefahr vergrössert.
Tim Leichner, Direktor Produktvorentwicklung beim Zulieferer Freudenberg, stellte beim Wiener Motorensymposium ein neues Produkt aus dem Portfolio seines Unternehmens vor, mit dem Batteriebrände reduziert und die thermische Propagation praktisch vollständig verhindert werden kann. Das von Freudenberg entwickelte Zellzwischenelement kann nach einem Baukastensystem individuell auf Kundenwunsch und Batterietyp zusammengestellt werden. Damit kann das Unternehmen auch Zellzwischenlagen anbieten, die für mechanische Eigenschaften erforderlich sind, wie sie für LFP- und Solid-State-Zellen (Lithium-Eisenphosphat- und Festkörperzellen) benötigt werden. Daneben erhalten sie auf Wunsch auch thermisch isolierende Eigenschaften, die für heiss brennende NMC-Zellen (Nickel-Mangan-Kobalt) unbedingt erforderlich sind. Beide Anforderungen können mit etwas komplexeren Zellzwischenelementen auch gleichzeitig erfüllt werden. Die für das Verpressen der Batteriezellen notwendige Kompressibilität erzeugt Freudenberg durch eine ausgeklügelte Geometrie, die Biegung und Scherung von Gummielementen ausnutzt.
Schnelles Laden mit 925-Volt-Technik und 350 kW Leistung
Der neue Autohersteller Aehra, ein italienisch-amerikanisches Start-up–Unternehmen, will mit seinen Elektrofahrzeugen 2026 auf den Markt kommen. Geplant sind ein SUV sowie eine Limousine. Ein erstes Konzept des SUV wurde Ende 2022 vorgestellt, in den kommenden Wochen soll die Limousine präsentiert werden, die sich die technische Plattform mit dem SUV teilt.
Der Hersteller definiert sich selbst als «Ultra-Premium-Elektroautomarke», erteilt aber allen supersportlichen Ansprüchen eine klare Absage. Frank Cimatti, Chief Engineering Officer von Ahera, sieht «in rennwagenähnlicher Beschleunigung» wenig Nutzen für den Kunden im Realbetrieb. «Wir wollen keine Fahrzeuge mit Ein- oder Zwei–Megawatt-Antriebssträngen bauen.» Im Vordergrund stehen nach Aussagen des Herstellers Effizienz und Reichweite. Für die Traktionsbatterie spannen die Italiener deshalb mit der oberösterreichischen Technologiegruppe Miba zusammen, deren neue Sparte Battery Systems ein Batteriepack massschneidert. Dieses ist ausgelegt auf eine Speicherkapazität von 120 Kilowattstunden, so sollen Reichweiten von bis zu 800 Kilometern möglich sein. Das System arbeitet mit einer Spitzenspannung von 925 Volt, an Schnellladesäulen sollen Ladeleistungen von bis zu 350 kW möglich sein. Für das Temperaturmanagement sorgt die Flexcooler-Technologie.
Die Batterietechnik des Aehra ist für bidirektionales Laden vorgesehen. Das bietet Besitzern von Fotovoltaikanlagen die Chance, ihr Fahrzeug mit selbsterzeugtem Solarstrom zu laden und diesen Strom dann später wieder ins Haus zurückzuspeisen.
Der knapp 5.10 Meter lange Aehra hat einen Radstand von drei Metern und soll weniger als zwei Tonnen wiegen. Die Elektromotoren sollen knapp 600 kW (815 PS) Leistung bieten, die Höchstgeschwindigkeit bei 265 km/h abgeregelt werden. Im Innnenraum dominiert ein Bildschirm, der sich über die komplette Breite des Armaturenbretts zieht. Als möglicher Preis werden rund 180 000 US-Dollar genannt. KJU
