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Vergleich der Kühlmethoden für die Wärmeableitung von Lithium-Ionen-Akkupacks: Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung vs. Kühlung des Phasenwechselmaterials vs. Hybridkühlung

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Vergleich der Kühlmethoden für die Wärmeableitung von Lithium-Ionen-Akkupacks: Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung vs. Kühlung des Phasenwechselmaterials vs. Hybridkühlung

Dezember 13, 2023

Vergleich der Kühlmethoden für die Wärmeableitung von Lithium-Ionen-Akkupacks: Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung vs. Kühlung des Phasenwechselmaterials vs. Hybridkühlung

Im Bereich der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, insbesondere für Strom- und Energiespeicherbatterien (z.B., Batterien in Container-Energiespeichersystemen), Die Gleichmäßigkeit der Temperatur im Inneren des Batteriemoduls ist ein Schlüsselfaktor für die Gesamtleistung. Erhebliche Temperaturunterschiede zwischen Batteriemodulen können Unstimmigkeiten im Innenwiderstand und in der Kapazität verstärken. Im Laufe der Zeit, Dies kann zur Überladung oder Tiefentladung bestimmter Batteriezellen führen, Dies kann die Lebensdauer und Leistung der Batterie beeinträchtigen und ein Sicherheitsrisiko darstellen. Deshalb, Die Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur ist entscheidend für den effizienten Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie. Wärmeableitung des Akkupacks, Dabei spielt die sogenannte Thermomanagement-Kühltechnik eine Schlüsselrolle. Dabei wird innere Wärme über ein Kühlmedium an die äußere Umgebung übertragen, Dadurch wird die Innentemperatur gesenkt. Dieser Vorgang ist besonders wichtig für Lithium-Ionen-Batterien, die sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren. Übermäßige Hitze kann Nebenwirkungen auslösen, wie z. B. Festelektrolyt-Schnittstellenfilm (SECHS Filme) Zersetzung innerhalb der Batterie, Dies kann die Lebensdauer der Batterie erheblich beeinträchtigen. Deshalb, Ein effektives System zur Wärmeableitung der Batterie ist wichtig, um die Gesamtleistung der Batterie zu verbessern.

Momentan, Die gängigen Wärmeableitungsmethoden für Lithium-Ionen-Akkus sind: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Phasenwechselmaterialkühlung und Hybridkühlung. Wir gehen hier näher auf diese Arten der Wärmeableitung ein.

1. Luftkühlung

Luftkühlung, Als Medium für den Wärmeaustausch wird hauptsächlich Luft verwendet, kühlt den erhitzten Lithium-Ionen-Akku durch Luftzirkulation ab. Dies ist eine gängige Methode zur Wärmeableitung bei Lithium-Ionen-Akkus, das wegen seiner Einfachheit und Kosteneffizienz beliebt ist.

A. Prinzip

Die Luftkühlung von Lithium-Ionen-Batterien wird durch zwei Hauptmethoden erreicht:

Natürliche Konvektionskühlung: Bei dieser Methode wird der natürliche Luftstrom zur Wärmeableitung genutzt. Es handelt sich um ein passives System, bei dem Umgebungsluft um den Akku zirkuliert, Die von der Batterie erzeugte Wärme wird absorbiert und abgeführt.

Kühlung durch erzwungene Konvektion: Im Vergleich zur natürlichen Konvektion, Bei der erzwungenen Konvektionskühlung werden Ventilatoren oder speziell entwickelte Luftkanäle eingesetzt, um in einem bestimmten Raum einen entsprechenden Luftstrom zur Wärmeableitung zu erzeugen.

Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass die Luft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten strömt, und es ist im Design üblich, die Kühlwirkung durch den Vergleich verschiedener Luftströmungsgeschwindigkeiten zu vergleichen. Unterschiedliche Luftauslasskonstruktionen führen zu einer unterschiedlichen Verteilung des Geschwindigkeitsfelds und des Temperaturfelds.

B. Gerät

Die Effizienz der Luftkühlung wird stark von der Gestaltung des Luftstrompfads beeinflusst. Einige Hersteller werden diese Batteriezellen auch direkt mit Aluminiumblöcken produzieren, Ein- und Auslässe an jedem Ende des Batteriepakets können einen gleichmäßigeren Luftweg fördern, Dadurch wird der gesamte Akku effektiv gekühlt.

Die Anpassung des Abstands zwischen den Batteriezellen fördert eine optimale Luftzirkulation und sorgt für eine gleichmäßige Kühlung jeder Batteriezelle. Auf der Ober- und Unterseite der Batterien können auch wärmeleitende Materialien wie Silikonpads verwendet werden. Diese Silikonpads helfen dabei, die Wärme von Bereichen wegzuleiten, die weniger dem Luftstrom ausgesetzt sind, Dadurch wird die Gesamtkühleffizienz verbessert.

In kälteren Klimazonen, Das Luftkühlsystem kann Heizelemente enthalten, um die Batterien vorzuwärmen, um sicherzustellen, dass sie im optimalen Temperaturbereich arbeiten. Dadurch wird sichergestellt, dass Batterien aufgrund kalter Temperaturen keine Leistungseinbußen erleiden.

C. Vorteile und Nachteile

Vorteile: Die Einfachheit des luftgekühlten Designs macht es nicht nur einfach zu implementieren, aber auch leicht und pflegeleicht. Diese Einfachheit spart Kosten, da weniger komplexe Komponenten erforderlich sind. Es handelt sich um eine weit verbreitete und umweltfreundliche Methode.

Nachteile: jedoch, Luftkühlung hat eine begrenzte Kühlleistung, niedriger Wärmeübergangskoeffizient und ist anfällig für Umgebungsbedingungen. Reduzierte Zuverlässigkeit bei Überhitzung oder Unterkühlung. Weniger effektiv bei der Bewältigung hoher Wärmelasten.

2. Flüssigkeitskühlung

Unter Flüssigkeitskühlung versteht man die Verwendung flüssiger Kühlmedien wie Wasser, Mineralöl, Glykol, etc. zum Kühlen. Im Vergleich zur Luftkühlung bietet es eine bessere Wärmeaustauschkapazität.

A. Prinzip

Das Prinzip der Flüssigkeitskühlung besteht darin, das Kühlmittel im System in direktem oder indirektem Kontakt mit den Batteriezellen zirkulieren zu lassen, um die von der Batterie erzeugte Wärme abzuführen und die Wärme abzuleiten. Es wird normalerweise in Flüssigkeitskühlung mit direktem Kontakt und Flüssigkeitskühlung mit indirektem Kontakt unterteilt.

Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung: Dabei handelt es sich um das direkte Eintauchen der Batterie in das Kühlmittel, so dass das Kühlmittel in direktem Kontakt mit dem Akku steht, um den Zweck der Wärmeableitung zu erreichen.

Indirekte Kontaktflüssigkeitskühlung: Dabei handelt es sich um den Einbau von Kühlplatten und Strömungskanälen um die Batterie bzw. zwischen den Batteriezellen. Das Kühlmittel strömt durch diese Kühlplattenkanäle und führt die von der Batterie erzeugte Wärme zur Wärmeableitung ab.

B. Gerät

In der Praxis, Die Flüssigkeitskühlung ist unterschiedlich komplex. Einfache Systeme können einfache Kanaldesigns beinhalten, Während fortschrittlichere Systeme möglicherweise komplexe Layouts verwenden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über alle Batteriezellen hinweg sicherzustellen. Dazu kann die Optimierung des Kühlplattenmaterials gehören, seine Position relativ zur Batterie und die Wahl des Kühlmittels. Einige Hersteller werden diese Batteriezellen auch direkt mit Aluminiumblöcken produzieren, in einigen Elektrofahrzeugen, Kühlmittel fließt durch Kanäle (ähnlich einer Schlange) die jede Batteriezelle umgeben, um die Wärmeabsorption zu maximieren.

C. Vorteile und Nachteile

Vorteile: Da das Kühlmittel eine höhere Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit als Luft hat, Der Wärmeaustauschprozess der Flüssigkeitskühlung ist direkter, effizient und geschlossen, also seine Temperaturkontrolle, Temperaturausgleichsfähigkeit und Wärmeableitungseffekt sind besser als bei Luftkühlung. Darüber hinaus, Es ist hochflexibel und kann hinsichtlich der Kühlplatte entsprechend den spezifischen Bedingungen des Batteriesystems ausgelegt und angepasst werden, Rohrleitung und Kühlmittel. Und die äußere Umgebung hat kaum Einfluss, und es ist unter verschiedenen Umgebungsbedingungen immer noch wirksam.

Nachteile: Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Auswahl eines geeigneten Kühlmittels, die Hinzufügung zusätzlicher Kühlmittelzirkulationseinrichtungen, und eine höhere Anforderung an die Abdichtung, um das Risiko von Leckagen zu verhindern. Daher ist er konstruktiv aufwendig, was die Wartung zu einem späteren Zeitpunkt erschwert, und kann auch die Größe und das Gewicht des gesamten Batteriepakets erhöhen, mit höheren Herstellungskosten als Luftkühlung.

3. Kühlung des Phasenwechselmaterials

A.Prinzip

Beim Kühlen des Phasenwechselmaterials wird das Phasenwechselmaterial als Kühlmedium verwendet, Beim Phasenwechselreaktionsprozess ändert sich der physikalische Zustand, um die Wärme der Batterie aufzunehmen oder abzugeben.

Phasenwechselmaterialien werden als anorganisch klassifiziert, organische und zusammengesetzte Materialien. Anorganische Phasenwechselmaterialien, wie Graphit und Kristallwasser, haben eine hohe Phasenänderungsenthalpie, hohe Wärmeleitfähigkeit, aber auch hohe Unterkühlung und schlechte thermische Stabilität. Organische Phasenwechselmaterialien, wie Paraffin und Essigsäure, sind nicht korrodierend, haben eine geringe Unterkühlung und sind chemisch stabil. Verbundphasenwechselmaterialien sind organische und anorganische Materialien, die zusammen verwendet werden, um ein besseres Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen.

B. Gerät

Phasenwechselmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batteriepacks verwendet werden, erfordern normalerweise: hohe Materialwärmedichte, hohe latente Wärme; hohe Wärmeleitfähigkeit, schneller Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeprozess. Gute Stabilität, nicht leicht zu zersetzen sowie Nebenreaktionen mit den umgebenden Materialien, langer Lebenszyklus, wird keine nachteiligen Auswirkungen auf das System haben.

C. Vorteile und Nachteile

Vorteile: Besserer Temperaturkontrolleffekt und homogene Temperaturfähigkeit, erhebliche Wärmeleitfähigkeit und Wärmeabsorption von Phasenwechselmaterialien, kompakte Struktur, hohe Raumausnutzung.

Nachteile: Eine effektive Phasenwechselkühlung erfordert eine präzise Temperaturregelung. Phasenwechselmaterialien können teuer sein und müssen möglicherweise regelmäßig ersetzt werden.

Zusammenfassend, während die Phasenwechselkühlung Vorteile hinsichtlich der passiven Kühlung und Temperaturstabilisierung bietet, es erfordert ein präzises Temperaturmanagement. Es wird häufig in Kombination mit anderen Kühlmethoden eingesetzt, um eine umfassendere Wärmemanagementlösung für Lithium-Ionen-Batterien bereitzustellen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist und eine passive Kühlung bevorzugt wird.

4. Hybridkühlung

A.Prinzip

Die Hybridkühlung von Lithium-Ionen-Batterien kombiniert zwei oder mehr Kühlmethoden, um die Vorteile beider zu nutzen. Diese Kühlstrategie beseitigt die Einschränkungen einer einzelnen Kühlmethode, indem sie die Vorteile einer einzelnen Kühlmethode integriert, um ein effizienteres Wärmemanagement zu erreichen.

Zu den gängigen Kombinationen gehören Luftkühlung und Phasenwechselmaterialkühlung, Flüssigkeitskühlung und Phasenwechselmaterialkühlung, etc.

B. Gerät

In der Praxis, Hybridkühlsysteme können individuell angepasst werden, um die spezifischen Wärmemanagementanforderungen eines Batteriepakets zu erfüllen. Sie können so konzipiert werden, dass sie sich an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen und für die effiziente Bewältigung unterschiedlicher thermischer Belastungen optimiert werden. Diese Anpassungsfähigkeit macht Hybridkühlung zu einer attraktiven Option für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere dort, wo Batterieleistung und Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind.

C. Vorteile und Nachteile

Vorteile: Durch die Kombination verschiedener Kühlmethoden, Die Mängel, die bei einer einzelnen thermischen Kühlmethode bestehen, werden behoben. Verschiedene Wärmelasten können effektiver bewältigt werden, wodurch es für verschiedene Anwendungen geeignet ist. Und mit seiner Designflexibilität, Es kann auch besser an verschiedene Batteriekonfigurationen und Platzbeschränkungen angepasst werden.

Nachteile: Die Integration mehrerer Kühltechnologien kann im Vergleich zu Systemen mit nur einer Methode zu höherer Komplexität und höheren Kosten führen. Um das optimale Gleichgewicht und die Integration verschiedener Kühltechnologien zu erreichen, sind außerdem sorgfältiges Design und Engineering erforderlich. Im Laufe der Zeit, Die Komplexität eines Hybridsystems kann zu einem höheren Wartungsaufwand führen.

Die Hybridkühlung von Lithium-Ionen-Batterien stellt eine komplexe Lösung dar, die die Vorteile verschiedener Kühlmethoden für ein verbessertes Wärmemanagement kombiniert. Diese Systeme bieten eine hervorragende Kühlleistung und Vielseitigkeit und erhöhen gleichzeitig die Komplexität und die Kosten. Aufgrund ihrer Fähigkeit, eine individuelle Wärmeregulierung zu bieten, eignen sie sich besonders gut für fortschrittliche Batterieanwendungen, bei denen Sicherheit gefragt ist, Effizienz und Lebensdauer sind entscheidend.

Zusammenfassend, Die Wahl der Kühlmethode für Lithium-Ionen-Batterien hängt von einem empfindlichen Gleichgewicht der Effizienz ab, kosten, Komplexität und anwendungsspezifische Anforderungen. Luftkühlung ist einfach und kostengünstig, hat aber eine begrenzte Kühleffizienz, Dadurch eignet es sich für weniger anspruchsvolle Anwendungen oder in Kombination mit anderen Methoden. Flüssigkeitskühlung zeichnet sich in anspruchsvollen Anwendungen durch ihre überlegenen Wärmeübertragungsfähigkeiten aus, die oft durch die Integration mit Phasenwechselmaterialkühlung verbessert werden, um die Temperaturgleichmäßigkeit zu verbessern. Die Hybridkühlung umfasst eine Vielzahl von Kühltechnologien, um ein besseres Wärmemanagement zu ermöglichen, insbesondere in Anwendungen mit hoher Dichte und hoher Leistung. Die Entwicklung dieser vielfältigen Kühltechnologien ebnet den Weg für mehr Effizienz, Zuverlässige und anpassungsfähige Batteriesysteme in der Zukunft.

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