Batterie-Thermomanagement

Die Batterietemperatur beeinflusst Laden, Leistungsabgabe, Rekuperation, Effizienz und Haltbarkeit, weil Zellen nicht bei jeder Temperatur gleich gut Energie aufnehmen oder abgeben können.

Ein Batterie-Thermomanagementsystem (BTMS) heizt, kühlt und vereinheitlicht deshalb die Packtemperatur entsprechend Chemie, Ladezustand, benötigter Leistung und Steuerungsstrategie des Herstellers.

Warum die Batterietemperatur wichtig ist

Batteriezellen sind elektrochemische Bauteile. Widerstand, Reaktionsgeschwindigkeit, verfügbare Energie und Alterungsverhalten ändern sich mit der Temperatur.

Das Thermomanagement muss mehrere Prioritäten ausgleichen:

Genügend Leistung zum Fahren bereitstellen
Hohe Lade- und Rekuperationsleistung ermöglichen
Elektrische Verluste begrenzen
Zellen innerhalb sicherer Grenzen halten
Langfristige Alterung verringern
Ähnliche Temperaturen im gesamten Pack erhalten
Möglichst wenig Energie für Heizung und Kühlung verbrauchen

Eine Batterie kann innerhalb ihres sicheren Temperaturbereichs liegen, ohne für jede Aufgabe die beste Temperatur zu besitzen.

Eine einzelne ideale Batterietemperatur gibt es nicht. Eine Temperatur für effizientes Reisen kann noch zu niedrig für maximale Schnellladeleistung sein. Eine auf Hochleistungsladen vorbereitete Batterie kann wiederum wärmer sein, als beim Parken oder für längere Lagerung erforderlich. Audi beschreibt beispielsweise für die Batterie des e-tron GT bei anspruchsvollem Betrieb und Laden einen bevorzugten Bereich von 30–35°C. Dies ist jedoch kein allgemeiner Zielwert für jedes Elektrofahrzeug. (Audi)

Was bei einer kalten Batterie geschieht

Niedrige Temperatur verlangsamt die Ionenbewegung durch Elektrolyt und Elektrodenmaterialien. Der Innenwiderstand steigt und verursacht bei gleichem Strom einen größeren Spannungseinbruch und mehr Wärme.

Der Fahrer kann bemerken:

Geringere Beschleunigung
Niedrigere Spitzen- und Dauerleistung
Eingeschränkte Rekuperation
Langsameres DC-Laden
Weniger sofort verfügbare Energie
Höheren Verbrauch auf kurzen Winterfahrten

Kälte allein beschädigt eine Batterie normalerweise nicht. Das größere Risiko entsteht, wenn eine kalte Zelle mit hohem Strom geladen wird.

Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Zellen mit graphitbasierter negativer Elektrode können Lithiumionen die Elektrodenoberfläche schneller erreichen, als sie sich in den Graphit einlagern können. Metallisches Lithium kann sich dann durch Lithium-Plating auf der Oberfläche bilden.

Lithium-Plating kann:

Lithium verbrauchen, das sonst für Zyklen verfügbar bliebe
Kapazitätsverlust erhöhen
Innenwiderstand steigern
Ungleichmäßige Ablagerungen bilden
In schweren Fällen Sicherheitsrisiken erhöhen

Das BMS begrenzt deshalb Laden und Rekuperation, bis die Zellen warm genug für mehr Strom sind. Schnellladen ohne Lithium-Plating bleibt eine der zentralen technischen Herausforderungen bei Kälte oder hoher Laderate. (US Department of Energy)

Was bei einer heißen Batterie geschieht

Eine wärmere Batterie besitzt zunächst geringeren Widerstand und kann häufig mehr Leistung abgeben oder aufnehmen. Das bedeutet nicht, dass heißer immer besser ist.

Hohe Temperatur beschleunigt unerwünschte Reaktionen zwischen Elektroden und Elektrolyt. Längere Einwirkung kann beitragen zu:

Schnellerer kalendarischer Alterung
Verlust von aktivem Lithium
Wachstum von Oberflächenschichten wie der SEI
Elektrolytzersetzung
Gasbildung
Erhöhtem Innenwiderstand
Geringerer Zyklenlebensdauer

Temperatur und Ladezustand wirken zusammen. Eine Batterie lange bei hoher Temperatur und hohem SOC zu parken ist im Allgemeinen belastender, als sie vor einer Ladesitzung kurzzeitig zu erwärmen.

Auch hohe Temperaturen beim Extrem-Schnellladen sind schwer zu beherrschen. Forschung des US-Energieministeriums nennt Wärmeentwicklung in der Batterie und Temperaturen über ungefähr 45°C als wichtige Hindernisse für dauerhaftes Extrem-Schnellladen und lange Batterielebensdauer. Die genaue Grenze bleibt chemie- und konstruktionsabhängig. (US Department of Energy)

Woher die Batteriewärme kommt

Eine Batterie erzeugt bei jedem Stromfluss Wärme.

Quellen sind:

Elektrischer Widerstand in den Zellen
Ionentransport durch Elektrolyt und Elektroden
Elektrochemische Reaktionen
Zelllaschen und Stromkollektoren
Stromschienen und elektrische Verbindungen
Schütze und Packverbindungen
Ineffizienz beim Laden und Entladen
Wärmeübertragung von benachbarter Leistungselektronik

Ohmsche Wärme steigt ungefähr mit dem Quadrat des Stroms:

Ohmsche Wärme ∝ Strom² × Widerstand

Die Verdopplung des Stroms kann daher bei unverändertem Widerstand ungefähr viermal so viel ohmsche Wärme erzeugen.

Dies erklärt, warum anspruchsvolle Bedingungen hohe thermische Lasten verursachen:

DC-Hochleistungsladen
Wiederholte starke Beschleunigung
Länger anhaltendes Fahren mit hoher Geschwindigkeit
Lange Anstiege
Anhängerbetrieb
Rennstreckennutzung
Schnelle Rekuperation

Wärme entsteht nicht immer gleichmäßig. Das Innere einer großen Zelle kann wärmer als ihre Außenfläche sein. Zellen nahe Kühlmittelauslässen oder Packrändern können andere Temperaturen als Zellen an anderen Stellen erreichen. NREL-Forschung verbindet Temperaturungleichmäßigkeit mit lokalen Unterschieden bei Ladezustand, Lithium-Plating, SEI-Wachstum und Alterung. (US Department of Energy)

Es gibt keine einzelne ideale Temperatur

Die bevorzugte Batterietemperatur hängt von der bevorstehenden Aufgabe ab.

Normales Fahren

Bei moderater Fahrt kann das System einen niedrigen Nebenverbrauch priorisieren, statt die Batterie auf ihre Schnellladetemperatur zu heizen oder zu kühlen.

Leistungsstarkes Fahren

Wiederholtes Beschleunigen, Ziehen, Steigen oder schnelles Fahren kann zusätzliche Kühlung erfordern, um die verfügbare Leistung zu erhalten.

DC-Schnellladen

Die Batterie muss häufig wärmer als beim normalen Winterbetrieb sein. Der Zellwiderstand muss niedrig genug sein, um hohen Strom ohne übermäßigen Spannungsanstieg oder Lithium-Plating aufzunehmen.

Parken

Das Fahrzeug hält die Batterie beim Parken im Allgemeinen nicht auf Schnellladetemperatur. Dies würde Energie verschwenden. Das Pack darf sich normalerweise innerhalb eines breiteren Schutztemperaturbereichs bewegen.

Langzeitlagerung

Hohe Temperatur und hoher SOC sind für längere Lagerung ungünstig, obwohl eine vorübergehend warme Batterie effektiver laden oder Leistung abgeben kann.

Thermomanagement ist somit ein fortlaufender Kompromiss zwischen unmittelbarer Leistung, Energieverbrauch und Alterung.

Architekturen des Thermomanagementsystems

Hersteller nutzen unterschiedliche Verfahren, um Wärme in die Batterie hinein- und aus ihr herauszubewegen.

Die wichtigsten Ansätze sind:

Passives Thermomanagement
Luftkühlung
Indirekte Flüssigkeitskühlung
Direkte Kältemittelkühlung
Integrierte Kühlmittel- und Wärmepumpensysteme

Die meisten modernen Elektrofahrzeuge für hohe Ladeleistung verwenden aktive Flüssigkeitskühlung, häufig über einen Wärmetauscher oder Chiller mit dem Kältemittelkreislauf des Fahrzeugs verbunden.

Passives Thermomanagement

Eine passiv temperierte Batterie stützt sich hauptsächlich auf Wärmeleitung durch:

Zellgehäuse
Modulstrukturen
Batteriegehäuse
Fahrzeugunterboden
Umgebungsluft

Dieser Ansatz besitzt wenige Komponenten und verbraucht wenig Energie.

Vorteile

Niedrige Kosten
Geringes Gewicht
Keine Pumpen oder Kühlmittel
Wenige Wartungsstellen
Niedriger Standby-Verbrauch

Einschränkungen

Begrenzte Wärmeabfuhr
Starke Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
Langsames Heizen und Kühlen
Schwierige Aufrechterhaltung gleichmäßiger Zelltemperaturen
Geringe Eignung für wiederholtes Hochleistungsladen

Passives Thermomanagement kann für ein leistungsschwaches Stadtauto ausreichen, wird mit steigender Ladegeschwindigkeit, Batteriegröße und Dauerleistung jedoch zunehmend einschränkend.

Luftkühlung

Luftgekühlte Systeme führen Umgebungs- oder Innenraumluft durch die Batterie oder an ihr entlang.

Der Luftstrom kann durch Lüfter oder die Fahrzeugbewegung entstehen.

Vorteile

Einfacher als Flüssigkeitskühlung
Geringere Masse
Kein Batteriekühlmittelkreislauf
Geringeres Risiko von Kühlmittellecks

Einschränkungen

Luft transportiert deutlich weniger Wärme als flüssiges Kühlmittel.
Die Kühlung hängt stark von der Lufttemperatur ab.
Luftkanäle beanspruchen Raum.
Gleichmäßige Temperaturen sind schwer aufrechtzuerhalten.
Lüftergeräusch und Stromverbrauch steigen unter hoher Last.

Eine luftgekühlte Batterie kann eine Schnellladesitzung erfolgreich bewältigen, aber für wiederholtes Laden möglicherweise nicht genug Wärme abführen. Nissan dokumentierte bei Tests der lufttemperierten LEAF-e+-Batterie ab der zweiten Schnellladesitzung sinkende Ladeleistung. (Nissan)

Indirekte Flüssigkeitskühlung

Indirekte Flüssigkeitskühlung ist die häufigste Architektur aktueller Hochleistungs-Elektrofahrzeuge.

Ein Wasser-Glykol-Kühlmittel fließt durch:

Kühlplatten unter den Zellen
Kanäle neben Zellreihen
Strangpressprofile im Packboden
Platten an den breiten Zellflächen
In Module integrierte Kühlstrukturen

Das Kühlmittel fließt normalerweise nicht in den Zellen. Wärme muss mehrere Schichten überwinden:

Zellinneres
Zellgehäuse
Wärmeleitmaterial
Kühlplatte
Kühlmittel

Wärmeleitmaterial kann ein Pad, eine Paste, ein Klebstoff, Gel oder eine andere leitfähige Schicht sein, die kleine Spalten zwischen Zelle beziehungsweise Modul und Kühlplatte füllt.

Der Audi Q4 e-tron verwendet einen eigenen Niedertemperatur-Batteriekreis mit einem Wasser-Glykol-Gemisch, das durch flache Kanäle unter den Zellfächern strömt. Wärmeleitpaste verbindet die Zellen mit der Kühlstruktur, während ein Hochvoltheizer das Kühlmittel bei Kälte erwärmt. (Audi)

Vorteile

Hohe Wärmeübertragungsfähigkeit
Gleichmäßigere Temperatur als bei passiver oder Luftkühlung
Effektives Heizen und Kühlen über dieselben Platten
Für leistungsstarkes Fahren und Laden geeignet
Anschluss an Kühler, Chiller oder Wärmepumpe möglich

Kompromisse

Kühlmittel, Pumpen, Ventile, Schläuche und Wärmetauscher kommen hinzu.
Gewicht und Kosten steigen.
Mögliche Leck- und Wartungsstellen entstehen.
Sorgfältige Abdichtung und Korrosionskontrolle sind nötig.
Die Kühlleistung hängt vom Kontakt zwischen Zellen und Platten ab.

Kühlung über den Kühler

Bei ausreichend kühler Umgebungsluft kann das Batteriekühlmittel Wärme über einen Kühler abgeben.

Dies ist häufig der energieeffizienteste Kühlmodus, weil das System nur Folgendes benötigen kann:

Eine Kühlmittelpumpe
Luftstrom durch den Kühler
Einen Lüfter, wenn die Fahrgeschwindigkeit nicht ausreicht

Kühlerkühlung kann die Batterietemperatur nicht unter die Umgebungstemperatur senken. Bei heißem Wetter oder Hochleistungsladen kann sie außerdem unzureichend werden.

Kühlung mit Kältemittel-Chiller

Kann der Kühler nicht genug Wärme abführen, strömt das Kühlmittel durch einen mit dem Klimakältemittelkreislauf verbundenen Chiller.

Der Chiller überträgt Wärme vom Batteriekühlmittel auf das Kältemittel. Der elektrische Kompressor transportiert sie anschließend durch das Klimasystem und gibt sie außerhalb des Fahrzeugs ab.

Ein vereinfachter Wärmeweg lautet:

Batteriezellen
    ↓
Kühlplatte
    ↓
Wasser-Glykol-Kühlmittel
    ↓
Kältemittel-Chiller
    ↓
Kältemittel der Klimaanlage
    ↓
Kondensator und Außenluft

Dadurch kann das Fahrzeug die Batterie unter Umgebungstemperatur kühlen oder ihre Temperatur unter dauerhafter thermischer Last halten.

Der Audi e-tron GT verwendet vier miteinander verbundene Kühlmittelkreise. Bei hoher Fahr- oder Ladelast verbinden Ventile den Batteriekreis für stärkere Kühlung mit dem Kältemittelkreis der Klimaanlage. (Audi)

Direkte Kältemittelkühlung

Manche Konstruktionen legen Kältemittelkanäle oder Verdampferflächen direkt an die Batteriekühlstruktur, statt zuerst einen getrennten Wasser-Glykol-Kreis zu nutzen.

Dies kann die Zahl der Wärmeübertragungsstufen reduzieren und hohe Kühlleistung liefern.

Kompromisse sind:

Schwierigere Kältemittelverteilung
Höhere Empfindlichkeit bei Druck und Abdichtung
Komplexere Wartungsverfahren
Risiko ungleichmäßiger Kühlung bei schlecht geregeltem Kältemittelfluss
Engere Integration von Batterie und HVAC-System

Indirekte Flüssigkeitskühlung bleibt verbreitet, weil sie den Batteriekühlmittelkreis vom Hochdruck-Kältemittelkreis trennt.

Integriertes Thermomanagement

Moderne EV-Thermosysteme verbinden zunehmend Batterie, Motoren, Leistungselektronik, Ladehardware und Innenraum.

Abhängig von den aktuellen Bedingungen kann Wärme:

Aus der Batterie entfernt werden
Zum Heizen des Innenraums wiederverwendet werden
Vom Antrieb in die Batterie verschoben werden
Über einen Kühler abgegeben werden
Durch den Kältemittelkreis bewegt werden
Von einer Wärmepumpe aus der Außenluft gewonnen werden

Der Audi Q6 e-tron nutzt Kühlmittel- und Kältemittelwärmetauscher; seine vorausschauende Steuerung koordiniert Heizung und Kühlung der Batterie. Nissan beschreibt ebenfalls ein integriertes System, das beim Fahren und Laden erzeugte Wärme für Batterie und Innenraum wiederverwendet. (Audi)

Verfahren zur Batterieheizung

Das Erwärmen einer kalten Batterie benötigt Energie. Hersteller unterscheiden sich darin, wie diese Energie bereitgestellt wird.

Hochvolt-Kühlmittelheizer

Ein eigener elektrischer Heizer kann das durch die Batteriekühlplatten fließende Kühlmittel erwärmen.

Heizelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten oder PTC werden häufig eingesetzt, weil ihr elektrischer Widerstand mit der Temperatur steigt und so übermäßiges Heizen begrenzt.

Vorteile

Funktioniert bei nahezu allen Umgebungstemperaturen
Liefert vorhersehbare Heizleistung
Kann die Batterie ohne Fahrt erwärmen
Relativ unkompliziert zu steuern

Kompromisse

Elektrische Energie wird direkt in Wärme umgewandelt.
Hohe Heizleistung kann die verfügbare Reichweite verringern.
Hardware, Gewicht und Kosten kommen hinzu.

Audi verwendet in mehreren EV-Thermosystemen Hochvoltheizer, darunter im Kühlmittelkreis des Q4 e-tron. (Audi)

Heizen mit Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe verschiebt Wärme, statt sie vollständig durch elektrischen Widerstand zu erzeugen.

Mögliche Wärmequellen sind:

Außenluft
Kühlmittel von Motor und Wechselrichter
Ladehardware
Innenraumabluft
Kältemittelkreis

Unter geeigneten Bedingungen kann eine Wärmepumpe mehr Wärmeenergie bewegen, als ihr Kompressor elektrische Energie verbraucht.

Ihre Leistung sinkt mit zunehmendem Temperaturunterschied. Viele Fahrzeuge kombinieren deshalb eine Wärmepumpe mit Widerstandsheizungen für schnelles Erwärmen oder große Kälte.

Abwärmerückgewinnung

Motoren, Wechselrichter, Onboard-Ladegeräte und DC-DC-Wandler erzeugen im Betrieb Wärme.

Ein integriertes Thermosystem kann einen Teil davon umleiten zu:

Batterie
Innenraum
Einem anderen Kühlmittelkreis

Abwärmerückgewinnung ist beim Fahren und Laden nützlich, kann nach einem Kaltstart aber nicht immer genügend Wärme liefern. Nissan beschreibt die Wiederverwendung von Antriebs- und Ladewärme als Teil seiner integrierten Temperierungsstrategie. (Nissan)

Beim Fahren erzeugte Wärme

Das Fahren selbst erwärmt die Batterie, weil Stromfluss Wärme erzeugt.

Ein kaltes Pack kann Ladeleistung und Rekuperation allmählich zurückgewinnen nach:

Autobahnfahrt
Bergauffahrt
Starker Beschleunigung
Längerem Leistungsabruf

Diese Erwärmung ist nicht kostenlos. Die Wärme stammt aus Energieverlusten durch Widerstand und andere Ineffizienzen.

Manche Fahrzeuge erzeugen vor dem Laden möglicherweise absichtlich zusätzliche elektrische Last oder verändern den Antriebsbetrieb. Ob und wie stark dies geschieht, hängt von der Thermoarchitektur des Fahrzeugs ab.

Anordnung der Kühlplatten

Die Position der Kühlfläche beeinflusst, wie wirksam Wärme durch die Zelle transportiert wird.

Übliche Anordnungen sind:

Bodenkühlung
Seitenkühlung
Kühlung zwischen Zellreihen
Kühlung der breiten Flächen
Laschen- oder Anschlusskühlung
Beidseitige Kühlung

Bodenkühlung

Eine Platte unter Modulen oder Zellen lässt sich relativ einfach in ein flaches Pack integrieren. Wärme aus den oberen Bereichen einer hohen Zelle muss bis zur Kühlplatte gelangen.

Seiten- oder Breitflächenkühlung

Die Kühlung großer Flächen prismatischer oder Pouch-Zellen kann den Wärmeweg verkürzen, erfordert aber gleichmäßigen mechanischen Kontakt und Kompression.

Kühlung zwischen Zellreihen

Kanäle zwischen Rundzellen bieten eine große Kontaktfläche, beanspruchen aber Packraum und erzeugen viele wiederholte Kühlmittelpfade.

Beidseitige Kühlung

Die Kühlung einer großen Zelle von beiden Seiten verkürzt den Wärmeweg und kann die Temperaturgleichmäßigkeit verbessern.

Der Porsche Cayenne Electric verwendet Kühlplatten über und unter jedem seiner sechs Module. Porsche zufolge können die Platten die Batterie sowohl heizen als auch kühlen und den großen Pouch-Zellen helfen, ihre Zieltemperatur wirksamer zu erreichen. (Porsche Newsroom)

Temperaturgleichmäßigkeit

Eine niedrigere durchschnittliche Packtemperatur reicht nicht aus. Das Thermosystem muss auch Unterschiede zwischen Zellen und innerhalb jeder Zelle minimieren.

Ungleichmäßige Temperatur kann verursachen:

Unterschiedlichen Zellwiderstand
Ungleichmäßige Stromverteilung
Unterschiedliche Ladezustände
Lokale Alterung
Lokales Lithium-Plating
Frühes Erreichen einer Spannungsgrenze durch eine Zellgruppe
Geringere nutzbare Kapazität

Mögliche Problembereiche sind:

Das Innere großer Zellen
Module weit vom Kühlmitteleinlass
Zellen nahe Schützen und Stromschienen
Dicht gepackte zentrale Module
Zellen mit schlechtem Kontakt zur Kühlplatte
Bereiche unter Einwirkung von Straßen- oder Abgaswärme

Thermomanagementsystem, BMS, Kühlplattendesign, Zellformat und Packkompression tragen alle zur Temperaturgleichmäßigkeit bei. DOE-Forschung zu Zellen für Extrem-Schnellladen nennt innere Temperaturgradienten als Ursache ungleichmäßiger Alterung und Einschränkung großer, nur einseitig gekühlter Zellen. (US Department of Energy)

Batterievorkonditionierung

Die Batterievorkonditionierung bringt das Pack näher an die für eine geplante Aufgabe benötigte Temperatur.

Der Begriff bezeichnet meist die Vorbereitung auf DC-Schnellladen, kann aber auch umfassen:

Heizen vor der Abfahrt
Kühlen vor dem Laden
Vorbereitung auf hohe Antriebsleistung
Erhaltung einer geeigneten Temperatur beim AC-Laden

Vorkonditionierung bedeutet nicht immer Heizen. Eine heiße Batterie kann vor dem Erreichen der Schnellladesäule aktive Kühlung benötigen.

Vorkonditionierung zum Schnellladen

Wird im integrierten Navigationssystem eine DC-Schnellladesäule ausgewählt, kann das Fahrzeug abschätzen, wie viel Heizung oder Kühlung vor der Ankunft nötig ist.

Eingangsgrößen können sein:

Aktuelle Batterietemperatur
Umgebungstemperatur
Entfernung und Fahrzeit
Erwarteter SOC bei Ankunft
Jüngste Fahrbelastung
Erwartete Leistungsfähigkeit der Ladesäule
Höhenprofil und Geschwindigkeit der Strecke

Das System passt Heizung oder Kühlung während der Fahrt an.

Das Thermomanagement des Audi e-tron GT kann ungefähr eine halbe Stunde vor der Ankunft an einer geplanten Hochleistungsladesäule die Batteriekühlung verstärken oder das Pack bei Kälte erwärmen.

Vorkonditionierung garantiert keine Spitzenladeleistung. Das Laden hängt weiterhin ab von:

SOC bei Ankunft
Spannung und Strom der Ladesäule
Zellspannung
Zellungleichgewicht
Packtemperatur
Batteriezustand
Ladekurve des Fahrzeugs
Leistungsverteilung am Ladestandort

Manuelle Vorkonditionierung

Manche Elektrofahrzeuge lassen den Fahrer die Batterievorbereitung manuell starten.

Dies ist nützlich, wenn:

Ein Smartphone oder Routenplaner eines Drittanbieters verwendet wird
Die Ladesäule in der integrierten Datenbank fehlt
Sich der geplante Ladestopp geändert hat
Der Fahrer keine Routenführung nutzt
Das Fahrzeug den falschen Ladesäulentyp gewählt hat
Das Laden früher als vom Navigationssystem erwartet stattfindet

Für manuelle Vorkonditionierung können weiterhin Einschränkungen gelten:

Mindest-SOC
Temperaturabhängige Verfügbarkeit
Feste maximale Betriebszeit
Automatische Abschaltung
Geringere Heizleistung bei niedrigem SOC
Abbruch bei Wechsel des Betriebsmodus

Das Starten der Vorkonditionierung beweist zudem nicht, dass die Batterie ihre Zieltemperatur erreicht hat. Verfügbare Vorbereitungszeit und Heizleistung bleiben entscheidend.

Vorkonditionierung vor der Abfahrt

Ist das Elektrofahrzeug zu Hause angeschlossen, kann eine geplante Vorkonditionierung Netzenergie verwenden, um Innenraum und bei manchen Fahrzeugen auch die Batterie zu erwärmen.

Dadurch kann direkt nach der Abfahrt weniger gespeicherte Batterieenergie verbraucht werden.

Drei Funktionen dürfen nicht verwechselt werden:

Vorkonditionierung des Innenraums
Vorkonditionierung der Batterie
Geplantes Ladeende kurz vor der Abfahrt

Manche Elektrofahrzeuge führen alle drei aus, andere heizen nur den Innenraum.

Das Beenden des Ladevorgangs kurz vor der Abfahrt kann dennoch helfen, weil Laden in den Zellen Wärme erzeugt. Eine kürzlich fertig geladene Batterie kann die Fahrt wärmer beginnen als eine, die viele Stunden zuvor fertig wurde.

Eine Analyse des US-Energieministeriums weist darauf hin, dass beim angeschlossenen Vorkonditionieren Energie direkt aus dem Netz stammen und Kaltstartverluste auf kurzen Winterfahrten verringern kann. (US Department of Energy)

Kühlen vor dem Schnellladen

Bei warmem Wetter oder nach anspruchsvoller Nutzung kann die Batterie zu heiß statt zu kalt sein.

Dies kann auftreten nach:

Längerer Fahrt mit hoher Geschwindigkeit
Anhängerbetrieb
Bergfahrt
Rennstreckennutzung
Vorheriger Schnellladesitzung
Parken in starker Sonne
Wiederholter Beschleunigung

Das Fahrzeug kann lange vor dem Ladestopp aktive Kühlung beginnen. Ein großes Pack besitzt erhebliche thermische Masse und kann seine Temperatur nicht sofort ändern.

Vorkonditionierung benötigt daher genug Fahrzeit, um Wärme aus dem Zellinneren abzuführen und nicht nur die gemessenen Außenflächen zu kühlen.

Warum Vorkonditionierung bei niedrigem SOC enden kann

Batterieheizung und -kühlung verbrauchen Energie.

Bei niedrigem SOC muss der Hersteller abwägen zwischen:

Erreichen der Ladesäule
Vorbereitung der Batterie
Erhalt einer Reserve
Vermeidung übermäßiger Zellentladung
Aufrechterhaltung der Innenraumheizung

Das System kann die Batterievorkonditionierung unterhalb einer definierten SOC-Schwelle reduzieren oder beenden.

Die Schwelle unterscheidet sich je nach Fahrzeug und kann sich mit Software ändern. Das Kia-EV9-Beispiel oben zeigt eine Umsetzung und darf nicht als allgemeine 12%-Regel verstanden werden.

Energieverbrauch und Reichweite

Batterievorkonditionierung verbraucht Energie. Ist das Fahrzeug nicht angeschlossen, stammt sie aus der Traktionsbatterie und verringert die für den Antrieb verfügbare Menge.

Die wichtigsten Vorteile sind:

Kürzere Ladestopps
Mehr verfügbare Antriebsleistung
Mehr Rekuperation
Geringeres Risiko von Schäden beim Kaltladen
Vorhersehbarere Leistung

Eine wärmere Batterie kann einen geringeren Widerstand besitzen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Vorkonditionierung immer die Gesamtreichweite erhöht. Die durch geringere Verluste eingesparte Energie kann kleiner sein als die zum Heizen verwendete.

Auf einer langen Reise mit Schnellladestopp kann der Einsatz von Batterieenergie zur Vorkonditionierung die Gesamtfahrzeit dennoch deutlich verkürzen.

Im angeschlossenen Zustand bietet netzbetriebene Vorkonditionierung normalerweise den klarsten Reichweitenvorteil, weil vor der Abfahrt weniger gespeicherte Energie verbraucht wird.

Wiederholtes Schnellladen und Wärmesättigung

Die Spitzenladeleistung beschreibt nur einen Teil der Reisetauglichkeit.

Nach einer Ladesitzung verbleibt Wärme in:

Zellinnerem
Modulstrukturen
Kühlplatten
Kühlmittel
Stromschienen und Anschlüssen
Batteriegehäuse

Diese angesammelte Wärme wird häufig Wärmesättigung genannt.

Der nächste Ladestopp kann mit einer wärmeren Batterie beginnen, obwohl das Display keine Warnung zeigt. Das Thermosystem muss während der Fahrt Wärme abführen und vor dem erneuten Laden eine ausreichend gleichmäßige Temperatur erhalten.

Ein starkes Langstreckensystem muss:

Die Batterie vor dem ersten Stopp vorbereiten
Während des Ladens Wärme abführen
Nach der Abfahrt weiter kühlen
Übermäßigen Temperaturanstieg am nächsten Stopp vermeiden
Wiederholbare Ladeleistung erhalten
Unnötigen Kompressor- und Lüfterverbrauch begrenzen

Der Audi e-tron GT nutzt miteinander verbundene Kühlmittel- und Kältemittelkreise für wiederholte hohe Leistung und Schnellladen. Seine routenbasierte Thermostrategie kann die Batterie vor dem Ladestopp heizen oder kühlen. (Audi)

Zwei Elektrofahrzeuge mit derselben angegebenen Spitzenleistung können daher über mehrere Ladesitzungen unterschiedlich abschneiden.

Dauerleistung

Das Thermomanagement bestimmt auch, wie lange ein Elektrofahrzeug hohe Antriebsleistung halten kann.

Eine Batterie kann mehrere Sekunden sehr hohe Leistung bereitstellen, aber kontinuierlich weniger zulassen wegen:

Wärmeentwicklung in den Zellen
Temperatur von Wechselrichter oder Motor
Kühlmitteltemperatur
Kühlerleistung
Leistung des Kältemittelsystems
Umgebungsbedingungen

Dies ist relevant bei:

Autobahnfahrt
Anhängerbetrieb
Langen Bergauffahrten
Rennstreckenfahrt
Wiederholter Beschleunigung

Ein leistungsstarker Motor garantiert keine wiederholbare Leistung, wenn Batterie und Thermosystem ihn nicht unterstützen können.

Thermomanagement beim Parken

Die Batterie kann weiter heizen oder kühlen nach:

Schnellladen
Anspruchsvoller Fahrt
Parken in extremer Hitze
Anschluss an AC-Laden
Abschluss einer geplanten Fahrt

Fahrer können hören:

Kühlmittelpumpen
Lüfter
Ventile
Klimakompressor
Elektrische Heizer

Dies kann auch nach dem Verriegeln normal sein.

Das Fahrzeug hält die Batterie normalerweise nicht unbegrenzt auf idealer Schnellladetemperatur. Es erlaubt stattdessen ein breiteres Temperaturfenster beim Parken und greift ein, wenn Schutz, Laden oder geplante Abfahrt es erfordern.

Strategien unterscheiden sich zwischen Fahrzeugen. Manche Autos temperieren die Batterie nur aktiv, wenn sie angeschlossen sind; andere können Energie der Traktionsbatterie nutzen, wenn sich Temperaturen Schutzgrenzen nähern.

Chemiespezifisches Temperaturverhalten

Der Thermomanagementbedarf hängt teilweise von der Zellchemie ab. Entscheidend bleibt die vollständige Fahrzeugkonstruktion.

Nickelreiches Lithium-Ionen-System

NMC-, NCA- und NCMA-Zellen können hohe Energiedichte und Leistung bieten.

Ihre Leistung erfordert sorgfältige Kontrolle von:

Hoher Temperatur
Hoher Zellspannung
Ladestrom
Gleichmäßiger Kühlung
Zeit bei hohem SOC

Nickelreiche Zellen werden häufig in Fahrzeugen mit großer Reichweite und hoher Leistung verwendet, stellen aber erhebliche Anforderungen an Kühlung und Regelung.

Lithium-Eisenphosphat

LFP bietet hohe thermische Stabilität und lange Zyklenlebensdauer.

Die wichtigste thermische Einschränkung ist der Kaltbetrieb. Kalte LFP-Zellen können zeigen:

Stärkere Ladebegrenzung
Geringere Rekuperation
Niedrigere Leistung
Schwierigere SOC-Schätzung
Größere Abhängigkeit von aktiver Heizung

Eine gut beheizte LFP-Batterie kann dennoch starke Winterladeleistung bieten. Die Chemie allein bestimmt das Ergebnis nicht.

Natrium-Ionen

Manche Natrium-Ionen-Konstruktionen werden gezielt für einen breiten Temperaturbereich entwickelt.

CATL gibt an, dass seine Naxtra-Natrium-Ionen-Zelle für Pkw bei −40°C noch 90% nutzbare Leistung behält. Dies ist eine Herstellerspezifikation für dieses konkrete Produkt und keine allgemeine Eigenschaft aller Natrium-Ionen-Zellen. (CATL)

Auch Natrium-Ionen-Packs benötigen Thermomanagement, weil:

Laden Wärme erzeugt
Zellalterung temperaturabhängig bleibt
Temperaturgleichmäßigkeit wichtig ist
Leistungs- und Ladegrenzen sich weiterhin mit der Temperatur ändern
Innenraum und Antrieb thermische Ressourcen teilen

Thermomanagement und Batteriealterung

Thermomanagement beeinflusst zyklische und kalendarische Alterung.

Ein gutes System begrenzt:

Lange Zeiträume bei übermäßiger Temperatur
Schnellladen bei zu kalten Zellen
Große Unterschiede zwischen Zelltemperaturen
Wiederholte Hochleistungsnutzung ohne ausreichende Kühlung
Lokale Heißstellen
Langfristige Einwirkung von hoher Temperatur und hohem SOC

Das Ziel besteht nicht darin, die Batterie jederzeit auf einer Temperatur zu halten. Das würde zu viel Energie verbrauchen.

Stattdessen nutzt das System unterschiedliche Temperaturziele für:

Fahren
Schnellladen
Parken
AC-Laden
Hohe Leistung
Batterieschutz

Ein Fahrzeug mit leistungsfähiger Kühlung kann die Zellen beim Schnellladen bewusst warm werden lassen und die Wärme anschließend abführen. Kurzes kontrolliertes Erwärmen unterscheidet sich von langfristiger Hitzeeinwirkung.

Normale Kühlung ist kein Schutz vor thermischem Durchgehen

Normales Thermomanagement führt Wärme ab, die beim gewöhnlichen Laden und Fahren entsteht.

Thermisches Durchgehen ist ein anderer Zustand. Selbstbeschleunigende innere Reaktionen können dabei Wärme schneller freisetzen, als das normale Kühlsystem sie abführt.

Beginnt thermisches Durchgehen in einer Zelle, stoppen das Öffnen der Schütze und laufende Kühlmittelpumpen die Reaktion möglicherweise nicht. Die Energie ist bereits chemisch in der Zelle gespeichert.

Der Schutz hängt außerdem ab von:

Zellchemie
Fertigungsqualität
Zellabständen
Thermischen Barrieren
Entgasungsrichtung
Gasführungspfaden
Druckentlastung des Packs
Fehlererkennung
Crashschutz
Verhinderung der Ausbreitung auf benachbarte Zellen

Thermomanagement verhindert, dass Zellen im Normalbetrieb missbräuchliche Bedingungen erreichen. Es ersetzt keinen speziellen Schutz gegen thermische Ausbreitung. NREL behandelt normale Packtemperierung und Eindämmung thermischer Fehlbeanspruchung als verwandte, aber getrennte technische Aufgaben. (NREL)

Kompromisse des Thermosystems

Ein leistungsfähigeres Thermosystem ist nicht kostenlos.

Es erhöht:

Gewicht
Kosten
Kühlmittelmenge
Zahl der Pumpen
Zahl der Ventile
Zahl der Wärmetauscher
Kältemittelkomponenten
Sensorik
Softwarekomplexität
Stromverbrauch
Wartungs- und Leckstellen

Ein großer Chiller und Kompressor kann wiederholtes Hochleistungsladen unterstützen, beansprucht aber mehr Platz und Energie.

Ein einfacheres System kann für ein kostengünstiges Stadtauto, das selten schnell lädt, völlig angemessen sein. Dasselbe System könnte in einem Langstreckenfahrzeug für wiederholtes Laden, Ziehen oder dauerhaft hohes Tempo unzureichend sein.

Thermomanagementtechnologien beinhalten deshalb Kompromisse zwischen Leistung, Kosten, Effizienz, Bauraum und Haltbarkeit. DOE-Technologiefahrpläne nennen zusätzliches Gewicht, Kosten und Komplexität ebenfalls als zentrale Einschränkungen des Thermomanagements. (US Department of Energy)

Was Käufer von Elektrofahrzeugen vergleichen sollten

Hersteller veröffentlichen selten genug technische Details, um die Kühlsystem-Hardware direkt zu vergleichen. Reales Verhalten liefert bessere Belege.

Nützliche Fragen sind:

Konditioniert das Fahrzeug automatisch vor, wenn zu einer Ladesäule navigiert wird?
Kann die Vorkonditionierung auch manuell gestartet werden?
Erwärmt eine geplante Abfahrt die Batterie oder nur den Innenraum?
Wie lange benötigt die Batterie im Winter zur Vorbereitung?
Bei welchem SOC endet die Vorkonditionierung?
Kann das Fahrzeug die Ladegeschwindigkeit über mehrere Stopps halten?
Wie funktioniert das Laden bei heißem Wetter?
Ist die Rekuperation bei Kälte oder voller Batterie stark eingeschränkt?
Behält das Fahrzeug beim Ziehen oder dauerhaft hohen Tempo seine Antriebsleistung?
Kann der Fahrer die Batterietemperatur anzeigen lassen?
Kühlt das Fahrzeug nach dem Laden weiter?
Ist eine Wärmepumpe serienmäßig, optional oder nicht verfügbar?

Die Spitzenladeleistung allein sagt wenig über die Thermoleistung aus. Aussagekräftiger ist, ob das Elektrofahrzeug mit vorbereiteter Batterie an der Ladesäule ankommt, eine starke Ladekurve hält und diese Leistung während der Reise wiederholt.

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