Bisher kommen drei verschiedene Möglichkeiten des Temperaturmanagements zur Anwendung.
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Möglichkeit 1
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Luft wird aus dem klimatisierten Fahrzeug-Innenraum angesaugt und zum Kühlen der Batterie genutzt. Die angesaugte kühle Luft aus dem Fahrzeug-Innenraum hat eine Temperatur kleiner als 40° C. Diese Luft wird genutzt, um die frei zugänglichen Flächen des Batteriepaketes zu umströmen.
Nachteile dieser Möglichkeit sind:
- Die geringe Kühlungseffektivität.
- Die angesaugte Luft aus dem Innenraum kann nicht zu einer gleichmäßigen Temperaturreduzierung genutzt werden.
- Der erhebliche Aufwand zur Luftführung.
- Eventuell störende Geräusche im Innenraum durch das Gebläse.
- Durch die Luftkanäle besteht eine direkte Verbindung des Fahrgastraumes mit der Batterie. Dies ist aus Sicherheitsgründen (z.B. Ausgasen der Batterie) als problematisch einzustufen.
- Nicht zu unterschätzen ist die Gefahr des Schmutzeintrages in das Batteriepaket, da die Luft aus dem Innenraum auch Staub beinhaltet. Der Staub lagert sich zwischen den Zellen ab und bildet in Verbindung mit kondensierter Luftfeuchtigkeit einen leitenden Belag. Dieser Belag begünstigt die Entstehung von Kriechströmen in der Batterie.
Um diese Gefahr zu umgehen, wird die angesaugte Luft gefiltert. Alternativ kann die Luftkühlung auch durch ein separates Kleinklimagerät erfolgen, ähnlich den separaten Fondklimaanlagen in Oberklassefahrzeugen.
2
Möglichkeit 2
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Eine spezielle, in der Batteriezelle eingeschlossene Verdampferplatte wird an die im Fahrzeug vorhandene Klimaanlage angeschlossen. Dies erfolgt im sogenannten Splittingverfahren an der Hochdruck- und Niederdruckseite über Rohrleitungen und ein Expansionsventil. Damit sind der Innenraumverdampfer und die Verdampferplatte der Batterie, die wie ein herkömmlicher Verdampfer funktioniert, an ein und demselben Kreislauf angeschlossen.
Durch die unterschiedlichen Aufgaben der beiden Verdampfer ergeben sich entsprechend unterschiedliche Anforderungen an den Kältemitteldurchfluss. Während die Innenraumkühlung den Komfortansprüchen der Fahrgäste genügen soll, muss die Hochvoltbatterie, je nach Fahrsituation und Umgebungstemperatur, mehr oder weniger stark gekühlt werden.
Aus diesen Anforderungen heraus resultiert die aufwändige Regelung der Menge des verdampften Kältemittels. Die besondere Bauform der Verdampferplatte und die damit ermöglichte Integration in die Batterie bietet eine große Kontaktoberfläche zum Wärmeaustausch. Damit kann gewährleistet werden, dass die kritische obere Maximaltemperatur von 40° C nicht überschritten wird.
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen wäre eine Temperaturerhöhung auf die Idealtemperatur der Batterie von mind. 15° C nötig. Allerdings kann die Verdampferplatte in dieser Situation keinen Beitrag leisten. Eine kalte Batterie ist weniger leistungsfähig als eine wohltemperierte und kann bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt kaum noch geladen werden. Im Mild- Hybrid kann man dies tolerieren: im Extremfall steht die Hybridfunktion nur eingeschränkt zur Verfügung. Fahren mit dem Verbrennungsmotor ist dennoch möglich. Im reinen Elektrofahrzeug dagegen wird man eine Batterieheizung vorsehen müssen, um im Winter in jeder Situation starten und fahren zu können.
Hinweis
Verdampferplatten, die direkt in die Batterie integriert sind, können nicht einzeln ersetzt werden. Daher muss im Schadensfall stets die gesamte Batterie ausgetauscht werden.
3
Möglichkeit 3
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Bei Batterien mit größerer Kapazität spielt die richtige Temperierung eine zentrale Rolle. Daher ist bei sehr niedrigen Temperaturen eine zusätzliche Beheizung der Batterie notwendig, um sie in den idealen Temperaturbereich zu bringen. Nur in diesem Bereich kann eine zufriedenstellende Reichweite im Modus „Elektrisches Fahren“ erreicht werden.
Um diese zusätzliche Beheizung durchzuführen, wird die Batterie in einen Sekundärkreislauf eingebunden. Dieser Kreislauf stellt sicher, dass die ideale Betriebstemperatur von 15° C – 30° C dauerhaft gehalten wird.
Im Batterieblock wird eine eingebaute Kühlplatte mit Kühlmittel durchflossen, das sich aus Wasser und Glycol zusammensetzt (grüner Kreislauf). Bei niedrigen Temperaturen kann das Kühlmittel über eine Heizung schnell aufgeheizt werden, um die Idealtemperatur zu erreichen. Kommt es während der Benutzung der Hybridfunktionen zu einem Temperaturanstieg in der Batterie, wird die Heizung abgeschaltet. Das Kühlmittel kann dann durch den sich in der Fahrzeugfront befindlichen Batteriekühler bzw. Niedertemperatur-Kühler mittels Fahrtwind gekühlt werden.
Reicht die Kühlung durch den Batteriekühler bei hohen Außentemperaturen nicht aus, durchströmt das Kühlmittel einen speziellen Wärmetauscher. In diesem wird Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage verdampft. Außerdem kann Wärme sehr kompakt und mit hoher Leistungsdichte aus dem Sekundärkreislauf auf das verdampfende Kältemittel übertragen werden. Es erfolgt eine zusätzliche Rückkühlung des Kühlmittels. Durch den Einsatz des speziellen Wärmetauschers kann die Batterie im wirkungsgradoptimalen Temperaturfenster betrieben werden.