Wärmemanagement für Lithiumbatterien

Lithiumbatterien werden heute in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von Nutzfahrzeugen über landwirtschaftliche Fahrzeuge und Hubarbeitsbühnen bis hin zu Bodengeräten auf Flughäfen und im Schiffsbau. Jede dieser Anwendungen stellt je nach Betriebsbedingungen eigene Anforderungen.

Eine Flash Battery Lithiumbatterie für industrielle Maschinenanwendungen. (Foto: Flash Battery)

Die Temperaturregelung bzw. das Wärmemanagement des Akkupacks ist eine wichtige Funktion und spielt eine entscheidende Rolle für Leistung und Lebensdauer. Ist die Temperatur zu niedrig, verringert sich die Akkukapazität; zu hoch kann sie zu einer Verschlechterung führen und die Anzahl der möglichen Ladezyklen reduzieren.

Marco Righi, CEO und Gründer von Flash Battery, erklärte, dass der ideale Temperaturbereich für Lithiumbatterien zwischen 20 und 35 °C liege. „Das bedeutet nicht, dass Batterien bei niedrigeren oder höheren Temperaturen nicht funktionieren können, sondern dass sich die erwartete Lebensdauer der Batterie dadurch verringert“, sagte er. „Da die Lithiumtechnologie über 4.000 Zyklen ermöglicht, können Batterien trotz einer leichten Verkürzung der Betriebslebensdauer aufgrund des Temperaturbereichs immer noch eine angemessene Lebensdauer für die gesamte Fahrzeuglebensdauer garantieren.“

Kühlsysteme

Kühlsysteme können die Kosten des gesamten Batteriesystems erheblich beeinflussen. Daher kann deren Vermeidung zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.

Laut Flash Battery benötigen die meisten Off-Highway-Anwendungen aufgrund längerer Lade-/Entladezeiten kein Batteriekühlsystem. Schnelle Ladezyklen können die Batterietemperatur beeinflussen und die maximale Lebensdauer verkürzen.

„Ein Kühlsystem ist in der Regel für Anwendungen mit ultraschnellem Laden oder in Hybridsystemen erforderlich, bei denen die Batterie sehr schnell entladen wird“, berichtete Righi. „Die Wahl großer Batterien verhindert, dass die Packs während des Betriebs belastet oder überhitzt werden.“

Kühlsysteme können mit einem Zwangsbelüftungssystem, einem Luftkühlsystem im Akkupack oder einem Flüssigkeitskühlsystem im Akkupack realisiert werden. Die beste Lösung hängt von der Anwendung, der Belastung des Akkupacks und den prognostizierten Produktionszahlen ab.

„Für Innenanwendungen, wie beispielsweise automatisierte Systeme in der Logistik, reicht in der Regel eine Zwangsbelüftung aus“, so Righi. „Für Außenanwendungen ist meist eine Flüssigkeitskühlung erforderlich.“

Heizsysteme

Eine der Einschränkungen von Lithiumbatterien besteht darin, dass sie bei Temperaturen unter 0 °C nicht geladen werden können. Darüber hinaus kann bei Temperaturen unter 10 °C der Innenwiderstand sinken, was zu Spannungsabfall und Leistungsverlust führt. Eine Heizung ermöglicht den Betrieb eines Fahrzeugs im Freien, unabhängig von den Wetterbedingungen.

Heizsysteme für Batterien können auf zwei verschiedene Arten realisiert werden: mit elektrischen Heizelementen oder mit einem Flüssigkeitskreislauf. Für Lithiumbatterien in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen ist ein Heizsystem besonders empfehlenswert. Die Heizung wird vom Batteriemanagementsystem (BMS) je nach Betriebsbedarf gesteuert. Ein Heizsystem kann die Batterieleistung unterstützen und die Gesamteffizienz des Fahrzeugs steigern, insbesondere nach einer Inaktivitätsphase bei niedrigen Temperaturen.

BMS für Sicherheit

Das BMS von Flash Battery überwacht die Funktion der Packs anhand einer Reihe von Parametern. Bei einer Überhitzung erkennt es, ob es sich um eine einzelne Zelle handelt oder ob die Temperatur im gesamten Batteriepack angestiegen ist.

Ist eine einzelne Zelle betroffen, unterbricht das BMS die Lade-/Entladephase sofort und gibt eine Warnung aus, um Schäden am gesamten Akkupack zu vermeiden. Eine allgemeinere Überhitzung kann durch intensive Nutzung der Batterie verursacht werden. In diesem Fall interagiert das BMS mit dem Fahrzeug, um die Leistung zu reduzieren und weitere Temperaturanstiege zu vermeiden.

„Ein intelligentes BMS arbeitet präventiv, um eine Überhitzung zu verhindern“, so Righi. „Die wichtigste Funktion des BMS ist der Ausgleich des Akkupacks. Unser proprietäres Flash Balancing System arbeitet sowohl aktiv als auch passiv mit einer deutlich höheren Ausgleichsleistung als herkömmliche BMS (20 A). Es garantiert einen ultraschnellen Ausgleich und gewährleistet stets die maximale Autonomie der Batterie.“

Neben dem Ausgleich verwaltet das BMS:

• alle Parameter der Batterie in Echtzeit;
• die an das Steuersystem des Fahrzeugs, das Motormanagementsystem oder das Display zu sendenden Informationen;
• das Aufladesystem;
• die Kühlung und Erwärmung des Batteriepakets;
• und die prädiktive Analyse des Zustands der von der Batterie betriebenen Geräte.

Recycling von Lithiumbatterien: Wo steht die Branche? Flash Battery hilft uns, die neueste Technologie im Batterierecycling und zukünftige Optionen wie Direktrecycling und Second Life für Batterien zu verstehen.