STRUKTURSTUDIE - page 20

Kapitel 2
BATTERIE-THERMOMANAGEMENT
Die Zellen eines Batteriesystems lassen sich nicht bei jeder Tem-
peratur gleich gut und gleich lange nutzen. Die Leistungsfähigkeit
und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen ist zwischen 20 °C und
40 °C am besten. Je tiefer die Temperatur unter 20 °C liegt, desto
höher werden die Innenwiderstände dieser Zellen und desto ge-
ringer ist die dem Antrieb zur Verfügung gestellte Leistung. Unter
0 °C altern Lithium-Ionen-Zellen außerdem besonders schnell oder
nehmen sogar irreversiblen Schaden bis hin zum Kurzschluss.
Gleiches gilt für Temperaturen oberhalb von 40 °C. Bei besonders
hohen Temperaturen kann sich der Elektrolyt thermisch zersetzen
und die Zelle infolgedessen in Brand geraten (vgl. Abbildung 9)
[Korthauer (2013)].
Aufgabe des Batterie-Thermomanagements ist es, die Tempera-
tur aller Zellen des Batteriesystems innerhalb des Bereichs der
bestmöglichen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu halten.
Bei einem geringen Bedarf an Kühl- und Heizleistung kann hierfür
Luft zum Einsatz kommen, die durch Kanäle (bei Bedarf mit elektri-
schen Luftheizelementen) zwischen den Zellen geleitet wird. Eine
hohe Kühl- und Heizleistung lässt sich durch Verwendung flüssiger
Medien erreichen (bei Bedarf ergänzt um zusätzliche Wärmeleit-
elemente). Diese werden ebenfalls in Leitungen zwischen den
Zellen hindurchgeführt. Eine Beheizung ohne jegliche Medien ist
außerdem mittels elektrischer Heizelemente zwischen den Zellen
im Batteriesystem möglich. Je nach Kühl-/Heizbedarf, verwende-
tem Fluid und der vorgesehenen Kälte-/Wärmequelle gehören zum
Batterie-Thermomanagement noch Gebläse, Pumpen oder gar
ein kompletter Kühlmittelkreislauf zusätzlich zu dem für die Innen-
raumklimatisierung [Korthauer (2013)].
-20 °C
0 °C
40 °C
20 °C
60 °C
Wesentlich geringere
Leistungsfähigkeit,
besonders schnelle Alterung
(bis hin zum Kurzschluss)
Geringere
Leistungsfähigkeit
Bestmögliche Leistungs-
fähigkeit und Lebensdauer
Schnellere
Alterung
Besonders
schnelle Alterung
(bis hin zum Brand)
Abbildung 9: Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriezellen bei unterschiedlichen Temperaturen.
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2.3 KOMPONENTEN DES ANTRIEBSSTRANGS
2.3.1 Elektrische Maschine
Die elektrische Maschine kann den Verbrennungsmotor als An-
triebsquelle erweitern und verbessern (Verbesserung des Wir-
kungsgrads von Verbrennungskraftmaschinen im Teillastbereich
bei Hybriden) oder auch komplett ersetzen (beispielsweise in den
Konzepten REEV, BEV, FCEV). Die Verwendung des Begriffs „elek-
trische Maschine” ist angebracht, da die meisten Elektroantriebe
sowohl als Motor wie auch als Generator zur Energierückgewin-
nung betrieben werden können.
CHARAKTERISTIKA
Aufgrund seiner Drehmomentcharakteristik eignet sich der Elekt-
romotor hervorragend für einen Einsatz als Antriebsmotor in Fahr-
zeugen: Das maximale Drehmoment steht bereits ab Drehzahl 0 zur
Verfügung, es bleibt bis zu einer gewissen Drehzahl konstant (An-
kerstellbereich) und sinkt dann erst ab (Feldschwächebereich).
Dies zeigt Abbildung 10. Deshalb kann auf eine Kupplung verzich-
tet werden und man benötigt nur ein Übersetzungsgetriebe. Wei-
tere Vorteile sind der hohe Wirkungsgrad (bis zu 95 %), problem-
loser Teillastbereich, Rekuperationsmöglichkeit, Robustheit, hohe
Lebensdauer, geringe Wartungskosten, gute Skalierbarkeit und
relativ geringe Geräuschentwicklung. Darüber hinaus kann der
Motor eine gewisse Zeit auch über der eigentlichen Nennleistung
(Überlastbereich) betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen
[Schröder (2013); Parspour (2014)].
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Eigene Darstellung in Anlehnung an Korthauer (2013).
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