Wärmemanagement in Batterien

Kapazität, Leistung und Lebensdauer von wiederaufladbaren Batterien sind entscheidend für den Markterfolg von batteriebetriebenen Lösungen. Für alle Arten von E-Anwendungen – wie z.B.  batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV), Elektrofahrräder, Elektroroller, solarbetriebene Lösungen, netzunabhängige Stromversorgungssysteme und mehr - ist die Integration der Batterie in das Gesamtsystem von zentraler Bedeutung.

Batterien werden im Allgemeinen nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert. Die gebräuchlichsten Batterietypen sind lithium-, blei- und nickelbasierte Systeme. Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Zyklenfestigkeit beim Laden und Entladen und ihrer hohen Leistungsdichte die bevorzugte Batterie für tragbare Geräte und elektrische Antriebe.

Um in der Endanwendung eine gute Leistung zu erbringen, spielt die Temperatur der Batterie während des Betriebs, d. h. während Lade- und Entladezyklen, eine wichtige Rolle. Die optimale Betriebstemperatur von Lithium-Ionen-Batterien liegt zwischen 15 und 35 °C. Bei Betriebstemperaturen unter 15 °C erwärmt sich die Batterie automatisch auf Kosten der gespeicherten elektrischen Energie. Dies liegt daran, dass der Innenwiderstand der Zellen bei kalten Temperaturen zunimmt, was zu langen Aufheizzeiten führt. Die Batterie wird dabei dauerhaft geschädigt.

Ist es zu kalt, wird die gesamte Betriebsleistung und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt - ein Defizit, welches nicht mehr ausgeglichen werden kann. Das Gleiche gilt für heiße Sommertage, an denen die Batterie abgekühlt werden muss. Außerhalb des idealen Temperaturbereichs (15-35 °C) ist für den Betrieb einer Li-Ionen-Batterie ein geeignetes und effektives Wärmemanagement erforderlich, um die Effizienz zu verbessern und eine dauerhafte Beeinträchtigung der Batterie zu vermeiden.

Anforderungen an die Batteriebeheizung

DBK bietet Lösungen für die Beheizung von Batteriesystemen an, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können, wie z. B.:

• Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV)

• E-Bikes, E-Roller

• BEV-Ladestationen

• Solar-Straßenlaternen

• Luft-, Raumfahrt und Militär Ausrüstung

• Netzunabhängige Stromversorgungssysteme in Offshore- oder Onshore-Prozessanlagen

• Skids zur Fernüberwachung und -steuerung

All diese Anwendungen haben eines gemeinsam: Ihre wiederaufladbaren Batterien sind schwankenden Witterungsbedingungen ausgesetzt. Bei kalten Temperaturen sinkt die Leistungsfähigkeit der Batterien erheblich, und ihre Lebensdauer verkürzt sich. Die Heizlösungen von DBK ermöglichen optimale thermische Bedingungen für alle Arten von Batterien bei schwierigen Wetterbedingungen und verbessern so deren Leistung und Lebensdauer.

Einige der häufigsten Anforderungen an Heizlösungen für Batterien:

• Die Batterie soll in einer bestimmten Zeit von der Anfangstemperatur auf die Endtemperatur gebracht werden. Die Endtemperatur bezieht sich auf die Temperatur, bei der der Lade- oder Entladevorgang in der Batterie wieder eingeleitet werden kann. Die Anfangstemperatur ist die niedrigste Temperatur, der die Batterie ausgesetzt ist.

• Die Heizlösung soll für den gesamten Heizvorgang eine bestimmte Leistung aus der Batterie verbrauchen, die auf Grundlage einer thermischen Analyse des gesamten Systems berechnet wird. Entsprechend werden auch die Spannung und der maximale Strom für die Heizlösung festgelegt.

• Die maximale Oberflächentemperatur des Heizelements ist vordefiniert, der Wert stimmt in der Regel mit der Verlustleistung und anderen thermischen Eigenschaften des Batteriesystems überein.

• Die Heizlösung soll ein selbst-regulierenden PTC-Verhalten aufweisen, welches den Stromfluss nach Erreichen der erforderlichen Oberflächentemperatur reduziert und so eine hohe Sicherheit gewährleistet.

• Das Heizelement muss flexibel sein, idealerweise eine Folienheizung, damit sich diese an die Oberfläche des Batteriegehäuses anpasst und entlang von Kurven oder Kanten gefaltet werden kann.

• Eine spezifische elektrische Verbindung oder ein kundenspezificher Anschluss werden oftmals benötigt.

• Die gleichmäßige Erwärmung der gesamten Batterieeinheit ist Voraussetzung.

Heizlösungen für Lithium-Ionen-Batterien

Jede Anwendung ist einzigartig. Deshalb wird jede Heizlösung speziell für die jeweilige Batterie entwickelt. Unsere Erfahrung zeigt, dass sich insbesondere die PTC-Heiztechnologie in diesem Bereich bewährt hat. PTC-Heizfolien sorgen für eine gleichmäßige Leistungsabgabe an die Batterie mit hoher Wärmedichte, und ihre elektrischen Eigenschaften können leicht an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden:

• Spannung bis zu 230 V DC - je nach der im System benötigten Verlustleistung - im Idealfall stimmt die Spannung mit der Nennspannung der Batterie überein

• Elektrische Hochstromkontakte aus Silber oder Kupfer sorgen für eine gleichmäßige Erwärmung und gewährleisten ein Höchstmaß an Heizsicherheit.

• Heizfolie bis zu einer Größe von 970 x 650 mm

• Große Auswahl an temperaturbeständigen Trägermaterialien mit der Möglichkeit der ein- oder beidseitigen Klebebeschichtung

• Eine große Auswahl an Kabelanschlüssen ist auf Anfrage mit kundenspezifischen Kabellängen erhältlich

• Integration eines Temperaturschalters für zusätzliche Sicherheit

Beispiel Spezifikation:

Kundenspezifische PTC Heizlösungen

Auf Anfrage sind PTC-basierte und nicht-PTC-basierte Heizfolienlösungen erhältlich, die allen Anforderungen an physikalische, thermische und elektrische Eigenschaften gerecht werden.

Ein effektives Wärmemanagement des Batteriesystems ist die Grundvoraussetzung für eine ideale Leistung der Batterie in Elektrofahrzeugen oder Schnellladestationen. Kontaktieren Sie uns noch heute für eine Lösung!