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Wie Graphitfolien die Lebensdauer und Sicherheit von Batterien erhöhen

| Autor / Redakteur: Simone Saile * / Thomas Kuther

Räumliche Temperaturhomogenisierung:

Als Testzyklus wird ein 50 A (2C) Ladestrom mit 10 A Cutoff bei 48 V und 130 A (5C) Entladestrom mit Cutoff bei 35 V angelegt (Bild 4). Die anfängliche Temperatur, die Umgebungstemperatur und die Kühlmitteltemperatur sind auf 20 ° C eingestellt.

In Bild 5 ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der heißesten und kältesten Zelle mit einem Peak von 4,3 K dargestellt. Dieser vergleichsweise niedrige Wert wird erreicht, weil die Zellen durch die Graphitfolien eine gute thermische Anbindung aufweisen, aber gleichzeitig durch die Rahmen gegeneinander thermisch isoliert werden. In Konsequenz konnte der maximale Gradient zwischen den warmen, mittleren und kalten äußeren Zellen so verringert werden.

Berechnung des maximalen thermischen Widerstands

Um den maximalen thermischen Widerstand zu berechnen, müssen der maximale Temperaturhub und die dabei abgeführte Verlustleistung bekannt sein, wenn sich das System in einem stationären Zustand befindet. Dazu wird das flüssigkeitsgekühlte Modul innerhalb einer isolierten Temperaturkammer kontinuierlich gezykelt, um eine annähernd konstante Wärmeableitung zu erreichen, bis der stationäre Zustand erreicht ist.

Die Temperaturen der Zellen und der Kühlplatten werden gemessen. Die extrahierte Wärmeleistung lässt sich aus der Durchflussrate und dem Temperaturanstieg des Kühlmittels bestimmen. Eine reduzierte Durchflussrate führt zu einem stärkeren Temperaturanstieg des Kühlmittels und verbessert damit die Messgenauigkeit. Als Ergebnis wird ein maximaler thermischer Widerstand von 0,12 K/W zwischen Zellen und Kühlmittel bestimmt, was einen Temperaturanstieg von 0,12 K pro anfallenden Watt Verlustleitung in den Zellen entspricht.

Der gravimetrische und volumetrische Overhead beziehen sich auf das Gewicht und Volumen der Zelle wie in der Tabelle aufgeführt. Als Referenz wird das Opel-Ampera-Batteriemodul mit vergleichbaren Pouchzellen von LG Chem herangezogen. Dank des Rahmenkonzepts mit Panasonics dünnen und leichten Graphitfolien als Wärmeverteiler konnte der Overhead trotz der Integration von zusätzlichen Phase-Change-Material im Gewicht 25% und der Overhead im Volumen um 10% gesenkt werden.

Zusammenfassung

In dieser Studie konnte anhand der Vermessung eines Prototyps gezeigt werden, wie durch die Kombination und Anpassung verschiedener Materialien das Thermomanagement mit Auswirkung auf Lebensdauer und Sicherheit des Batteriemoduls optimiert werden konnte. Das vorgestellte Batteriemodul wurde konstruiert, montiert und getestet, um Maßnahmen zur räumlichen und zeitlichen Temperaturhomogenisierung zu demonstrieren. Herkömmliche Aluminiumkühlplatten wurden dabei durch dünne und leichte Graphitfolien (PGS) von Panasonic ersetzt.

Neu entwickelte Elastomer-basierte Spaltfüller-Pads und gegossene, komprimierbare Elastomer-basierte PCM-Inlays wurden entwickelt und in das System integriert und mit flexiblen und thermisch leitfähigen Klebstoff verbunden. Als Ergebnis zeigten die Messungen eine maximale Temperaturdifferenz zwischen den Zellen von 4,3 K in einem kontinuierlichen Zyklus mit maximal zulässigen Entladestrom, einem maximalen thermischen Widerstand von 0,12 K/W auf Modulebene und einem reduzierten gravimetrischen und volumetrischen Overhead.

* Simone Saile ist Produktmanager bei der Panasonic Automotive & Industrial Systems Europe GmbH in Ottobrunn bei München.

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