Wer im Sommer oder Winter mit einem Elektroauto fährt, möchte trotz Hitze oder Kälte nicht auf eine angenehme Wohlfühltemperatur im Innenraum verzichten. Doch auch für die Technik eines E-Autos darf es weder zu heiß noch zu kalt sein – sie funktioniert nur in bestimmten Temperaturfenstern optimal. Das Thermomanagement von E-Autos ist daher sehr wichtig, weil es sowohl den Energieverbrauch und damit die Reichweite als auch den Komfort beeinflusst und nicht zuletzt die Langlebigkeit von Motor und Batterie sichert. Kühlflüssigkeiten spielen dabei eine wichtige Rolle und sind bei E-Autos ein Gegenstand der Forschung und Entwicklung.

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Das Thermomanagement in Fahrzeugen zielt auf die optimale Steuerung der Wärmeströme ab. Einerseits sollen die Komponenten des Fahrzeugs im idealen Temperaturbereich arbeiten, damit das Fahrzeug mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann, also möglichst wenig Energie verbraucht. Andererseits sollen sich die Insassen bei möglichst angenehmen Temperaturen wohlfühlen. Bei E-Autos sind die Anforderungen an das Thermomanagement deutlich höher und komplexer als bei herkömmlichen Fahrzeugen.

Die meisten Elektro- und Hybridfahrzeuge beziehen die Energie für den Elektromotor und die Nebenaggregate aus Hochvoltsystemen mit Spannungen von 30 bis 1.000 Volt AC (Wechselspannung) oder 60 bis 1.500 Volt DC (Gleichspannung). Auch Brennstoffzellenfahrzeuge haben einen Elektromotor, allerdings tanken sie Wasserstoff, der von den Brennstoffzellen an Bord in Strom für den Antrieb umgewandelt wird. Sie haben auch eine Batterie als Pufferspeicher an Bord zur Zwischenspeicherung von Strom, der nicht unmittelbar verbraucht wird und bei Lastwechseln wie in Beschleunigungsphasen die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ergänzt. Brennstoffzellenantriebe könnten im Schwerlastverkehr auf langen Strecken einerseits dieselbetriebene Lkw ersetzen und andererseits höhere Reichweiten ermöglichen als batterieelektrische Lösungen.

Thermomanagement von E-Autos ist komplex

Die wichtigsten Komponenten des elektrischen Antriebs sind der Elektromotor, die Leistungselektronik und die Batterie sowie die Kühlsysteme mit dem Thermomanagement. Gegebenenfalls kommen im Antriebskonzept noch Brennstoffzellen hinzu. Der Akku verfügt außerdem über ein Batteriemanagementsystem, das die Ladevorgänge und Leistungen während des Betriebs steuert und den Zustand der Batterie erfasst.

E-Autos haben einen hohen Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent, die elektrische Energie wird größtenteils in mechanische Leistung zum Antrieb des Motors umgesetzt. Die restlichen zehn Prozent des Stroms fallen als Wärme an, die aber nicht ausreicht, um den Innenraum zu heizen. Dafür ist eine zusätzliche Heizung erforderlich, die elektrische Energie aus der Batterie verbraucht, was zu Lasten der Reichweite geht. Um den Energiebedarf für die Wärme zu verringern, bieten einige Hersteller ihre Elektroautos mit einer Wärmepumpe an, die im Idealfall nur ein Viertel der Energie klassischer Heizgeräte braucht und zudem auch für die Klimatisierung einsetzbar ist.

Obwohl beim Betrieb eines E-Autos insgesamt nur wenig Wärme entsteht, kann sie punktuell bei bestimmten Komponenten wie dem Motor, der Leistungselektronik und der Batterie zu einer Überhitzung führen. Prinzipiell gilt, dass eine hohe Stromzufuhr zum Motor zu einer steigenden Hitzeentwicklung führt. Die Folgen können sein: schnellere Alterung der Materialien und Verringerung ihrer Lebensdauer. Daher müssen die Bauteile gekühlt werden.

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Die Batterie von E-Autos ist besonders temperatursensibel

Das Thermomanagement der Batterie ist noch anspruchsvoller. Je nach Situation muss sie für eine optimale Leistungsabgabe entweder erwärmt oder gekühlt werden, weil zu niedrige sowie zu hohe Temperaturen ihre Lebensdauer verkürzen können. Fahrzeughersteller setzen auf die Lithium-Ionen-Batterie, weil sie die Anforderungen an eine hohe Energie- und Leistungsdichte, Sicherheit und Funktionsfähigkeit derzeit am besten erfüllt. Die Akkus haben ein optimales Leistungsspektrum in einem Temperaturbereich von 15 bis 30 Grad Celsius. Bei geringeren Temperaturen werden die Ionen immer träger und irgendwann kann der Akku keine elektrische Leistung mehr abgeben. Um das zu vermeiden, wird er mit Heizelementen erwärmt.

Allerdings darf die Temperatur auch nicht zu hoch werden, was etwa durch die Erwärmung bei schnellen Ladevorgängen oder zügiger Leistungsentnahme hervorgerufen wird. Daher bedarf es auch einer Kühlung der Akkus. Das Gleiche gilt für die Pufferbatterie in Brennstoffzellenfahrzeugen: Sie basiert ebenfalls auf der Lithium-Ionen-Technologie und muss daher temperiert werden.

Bei Hochvoltbatterien erfolgt die Kühlung in der Regel über eine integrierte Kühlplatte, die von einem Kühlmittel aus Wasser und Glykol durchströmt wird. Dieses klassische und effiziente Kühlmittel hat keinen direkten Kontakt mit den Zellen der Batterie, weil das zum Kurzschluss führen würde. Bei niedrigen Temperaturen wird die Wasser-Glykol-Mischung mit einem Heizelement erwärmt, um das ideale Temperaturfenster zu erhalten. Steigt im Fahrzeugbetrieb die Temperatur der Batterie an, kann sie zunächst mit Luft gekühlt werden und bei Bedarf zusätzlich durch eine Rückkühlung des Kühlmittels mit einem speziellen Wärmetauscher.

Forschung für effizientere Kühlung

An der Kühlung von Batterien in E-Autos wird nach wie vor geforscht. Ziel ist es, den bisher üblichen, äußeren Kühlkreislauf durch einen inneren Kühlkreislauf zu ersetzen und die Kühlung damit zu verbessern. Möglich wird das durch neuartige dielektrische Kühlflüssigkeiten, die im Gegensatz zur Wasser-Glykol-Mischung keinen elektrischen Strom leiten und daher keine Kurzschlüsse auslösen können. Das Dielektrikum könnte die Batterie selbst durchströmen und mit den Zellen in Kontakt kommen und sie kühlen, ohne sie zu beschädigen. Gleichzeitig könnten die neuen Kühlflüssigkeiten einen Beitrag zum Brandschutz leisten durch die Beimischung von Brandschutzflüssigkeiten. Damit kann die Entstehung eines „Thermal runaway“ einer Batterie zwar nicht verhindert, aber die Bildung von Flammen unterdrückt werden. Thermal runaway ist ein Fachbegriff für das Durchbrennen einer Batterie in Form einer Kettenreaktion, bei der Teilzelle für Teilzelle nacheinander durch die jeweils entstehende hohe Temperatur zu brennen beginnt. Eine Ursache dafür kann zum Beispiel eine unfallbedingte Beschädigung einer Batteriezelle mit spontaner Freisetzung der Energie sein.

Durch den Wegfall des bisherigen Kühlkreislaufs könnte zudem das Gesamtgewicht des E-Autos sinken und seine Reichweite steigen. Und auch die Kühlung der Elektromotoren könnte künftig damit optimiert werden. Aktuell arbeiten der französische Mineralölkonzern TotalEnergies und der französische Automobilzulieferer Valeo an einem derartigen Projekt.

Die Entwicklung solcher dielektrischen Flüssigkeiten ist eine komplexe Aufgabe, bei der einige Herausforderungen zu bewältigen sind. Dazu zählen beispielsweise

• die Auswahl eines geeigneten Basisfluids und wärmeresistenter Zusätze für das Dielektrikum,
• Tests zur Absicherung des Brandschutzes von Akkus mit dem Dieleketrikum, bei denen auch Extremfälle wie Thermal runaways berücksichtigt werden,
• und der Schutz des Kühlsystems im laufenden Betrieb gegen Verunreinigungen, die Kurzschlüsse auslösen könnten.

Forschungs- und Entwicklungsdienstleister wie die OWI Science for Fuels GmbH und die TEC4FUELS GmbH unterstützen Hersteller von Kühlflüssigkeiten mit Know-how und ihrer Infrastruktur bei diesen Aufgaben.

Das Thermomanagement von E-Autos ist eine komplexe Aufgabe mit vielen Facetten, die hohe Ansprüche erfüllen muss. Sie sichert die Funktion wichtiger Komponenten des Autos ab und gewährleistet die Sicherheit und den Komfort den Fahrzeuginsassen. Effiziente Wärme und Kühlung im E-Auto sind letztlich ein wichtiger Beitrag zu einer klimaschonenden Mobilität.