Lithium-Batterien sind in ihrem Temperatur-„Empfinden“ fast wie wir Menschen: der optimale Betriebspunkt liegt zwischen etwa 10°C und maximal 40°C. Besonders bei mobilen Anwendungen (PKW, Busse, LKW`s, Schienenfahrzeuge) hat das zur Folge, dass beides benötigt wird: eine Heizung an kalten Tagen und eine Kühlung beim Ladevorgang oder Leistungsabgabe.
Die abrufbare Leistung und noch stärker die zu erzielende Zyklenzahl (und damit die Lebensdauer) sind stark abhängig davon, dass Ladung und Entladung nur in dem optimalen Betriebsfenster erfolgen. Ansonsten droht vorzeitige Alterung und im schlimmsten Fall ein Batteriebrand.
Neben der passiven Kühlung durch wärmeabstrahlende Flächen werden Batteriepacks von hybrid- und reinelektrischen Fahrzeugen aktiv gekühlt oder erwärmt. Das aktive Thermomanagment erfolgt durch forcierte Belüftung oder die Einbindung in einen flüssigkeitbasierenden Kühl-/Heizkreislauf.
Hybridmetalle zur Tap-Kühlung
Ein recht moderner Ansatz dabei ist auch die Verwendung von Hybrid-Metallen, die aus zwei oder mehr miteinander fest verbundenen Metallschichten bestehen. Diese Hybrid-Verbünde vereinigen die Vorteile von verschiedenen Metallen, so zum Beispiel das geringe Gewicht und der Kostenvorteil von Aluminium mit der guten Leitfähigkeit und einfachen Kontaktierungsmöglichkeit von Kupfer. In Kühlkörpern erreicht man mit solchen Kombimaterialien eine sehr hohe Wärmespreizung (Kupfer) bei geringem Gewicht (Aluminium für die Kühlfinnen).
Die Wärme- oder Kälteleistung wird in den einzelnen Lithium-Batteriezellen selbst benötigt. Das Design des Thermomanagements kümmert sich also vor allem zunächst um den thermischen Pfad zwischen Zelle und Kühlkreislauf. Ziel ist immer eine möglichst gute thermische Anbindung der Zellen.
Primatische Zellen und Pouchzellen können über ihre großen, ebenen Flächen gut an Kühlflächen angebunden werden. Rundzellen werden optimaler Weise über ihre Anschlüsse entwärmt, so dass z.B. das metallene Anschlußgitter an einen aussenliegenden Kühlkörper angebunden wird.
In vielen Fällen müssen Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden bzw. das System „atmet“ bei der Erwärmung und Abkühlung (immerhin sind es oft viele Hundert oder Tausend Zellen, die in crashsicheren Gehäusen verpackt werden). Gapfiller von einigen Millimetern Dicke und guter Wärmeleitfähigkeit eignen sich dafür. Sie werden auch eingesetzt, um die doch recht unebene Oberfläche der Kontaktbleche von Rundzellen-Arrays thermisch zu kontaktieren.
Gapfiller als elektrische Isolation, Wärmeleiter und Toleranzausgleich
Vorgefertigte Gapfiller vereinfachen dabei die Fertigung und Montage, denn sie sind passgenau vorgeschnitten. Es ist keine aufwändige Dispensertechnik notwendig. Viele Gapfiller sind UL 94-V0 klassifiziert, wodurch sie zusätzlich in gewissem Rahmen als Flammbarriere fungieren können. Auch die Reparatur von Batteriepacks ist gegenüber z.B. einem Verguss leichter möglich bzw. die Demontage am Ende der Lebensdauer zu Recycling-Zwecke erleichtert.
Sobald man in den Bereich von Spannungsebenen deutlich über 400 V kommt, muß man jedoch beachten, dass Gapfiller alleine womöglich nicht mehr ausreichen.
Selbst ein Produkt, das eine höhere Spannungsfestigkeit hat wie die Prüfspannung, kann im laufenden Betrieb versagen. Um eine optimale Wärmeleitung zu erzielen, müssen Gapfiller komprimiert werden. Die Benetzung der Werkstoff-Oberflächen wird dadurch verbessert. Allerdings weichen vor allem weichere Gapfiller unter Druck aus. Was eigentlich sogar erwünscht ist – nämlich das Ausgleichen von Unebenheiten – führt zu einer variablen Dicke des Gapfiller. Doch an der dünnsten Stelle wird dann nicht mehr die Spannungsfestigkeit aus dem Datenblatt erreicht. Denn die wurde zum Beispiel zwischen planparallelen Elektroden ermittelt.
Allerdings findet der elektrische Durchschlag wahrscheinlich nicht bei der Fertigungsüberprüfung statt, sondern erst nach vielen Warm-Kalt-Zyklen und unter dem Eindruck der elektrischen Dauerbelastung in Batterien. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ermüden das mechanische „Federglied“ Gap-Filler, Temperaturbelastungen lassen das Material altern und die dauerhaft anstehende Spannung verändert das Polymergefüge mit der Zeit. Bei „eng“ dimensionierten Luft- und Kriechwegen sowie „dti“ (thickness through insulation) kommt es schließlich zu einer finalen Schädigung des Gap-Filler mit Verlust der Funktion „galvanische Trennung“.
In der Praxis haben sich daher Lösungen bewährt, die aus einer Kombination einer gut wärmeleitenden Schicht und einer möglichst dünnen, jedoch spannungsfesten Isolationsfolie bestehen. Das Toleranzen ausgleichende, dickere Material ist dabei häufig ein Gapfiller oder eine thermisch leitende Silikonfolie, die spannungsfeste Komponente eine wärmeleitende Kapton®-Folie. Trotz des geringen spezifischen Wärmeleitwerts von 0,45 W/m*K hat die Folie einen geringen thermischen Widerstand, da die Materialstärke sehr gering ist.
Fazit:
Batteriezellen in elektromobilen Anwendungen benötigen ein aktives Thermomanagement. Dazu müssen die einzelnen Zellen thermisch an z.B. Kühl-/Heizplatten angebunden werden. Dazu nutzt man zum Ausgleich von Toleranzen häufig wärmeleitende Gapfiller. Bei höheren Batterie-Spannungen kann es ratsam sein, neben den Gapfillern auch eine spannungsfeste Folie zur Isolation einzusetzen. Das vermindert im Dauerbetrieb die Gefahr des elektrischen Durchschlags. Moderne Hybrid-Metalle verbessern das Wärmemanagement mit hoher Wärmeleitung, geringem Gewicht und weniger Verlustwärme (elektrische Leiter).
(März 2019, © Gerald Friederici)