Elektroautos schnell aufladen Gekühlte Akkus: Wie vertragen sich Dichtungsmaterialien und Kühlflüssigkeiten?

Beim Supercharging eines Elektroautos sowie bei extremer Leistungsabgabe erwärmt sich der Akku erheblich. Die dabei entstehenden Temperaturen können die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Flüssigkeitskühlsysteme übersteigen. Neue Kühlstrategien sollen Abhilfe schaffen.

Immer mehr Elektroautos können an einer Schnellladesäule Energie tanken. Mit einer Ladeleistung von mehreren hundert Kilowatt füllt diese die Akkus beispielsweise innerhalb einer halben Stunde zu 80 Prozent. Die Energiemenge, die dabei in den Akku fließt, ist zwei- bis dreimal so groß wie die Energiemenge, die in umgekehrter Richtung fließt – selbst unter Hochleistungsbedingungen, wenn etwa ein Elektro-Sportwagen über die Nordschleife des Nürburgrings rast.

Beim Überladen erwärmt sich die Batterie stark. Bei unzureichender Kühlung hat dies negative Auswirkungen. Unter anderem auf die Leistungsaufnahme und die Lebensdauer der verbauten Akkus. Gängige Flüssigkeitskühlsysteme, die komplette Zellsysteme von außen kühlen, stoßen an ihre Grenzen. Die Automobilhersteller entwickeln daher zunehmend eine neuartige Flüssigkeitskühlung, die die Zellen und ihre elektrischen Ableiter in das Kühlmedium einbettet: „Battery Immersion Cooling“: Das Medium umströmt die einzelnen Zellen direkt und führt die freigesetzte Wärme effektiv ab.

Eignung von Polymerwerkstoffen in Immersionskühlsystemen

Die in solchen Systemen verwendeten Kühlmedien haben andere chemische Eigenschaften als die bisher verwendeten Medien. Beispielsweise müssen sie wegen des direkten Kontakts mit den Zellen elektrisch isolierend sein. Die Automobilhersteller untersuchen mehrere, zum Teil neue Stoffklassen von Kühlmedien, die sich chemisch stark unterscheiden.

Dichtungselemente als wesentliche Komponenten solcher Kühlsysteme müssen in ihren chemischen Eigenschaften auf die Kühlmedien abgestimmt sein. Gleiches gilt für Komponenten wie Verbindungselemente, Zellabstandshalter und Medienspeicher. Um eine breite Datenbasis für konkrete Kundenanfragen zu erhalten, haben die Experten der Werkstoffvorentwicklung von Freudenberg Sealing Technologies daher in einer breit angelegten Studie die Eignung polymerer Werkstoffe für die in Immersionskühlsystemen eingesetzten Medien untersucht.

Die für das Unternehmen relevanten Materialien wurden verschiedenen Fluiden ausgesetzt. Getestet wurden unter anderem isoparaffinische Öle sowie Öle auf Esterbasis, die für die direkte Batteriekühlung spezifiziert und weit verbreitet sind. Neben den gängigsten Fluiden untersuchten die Materialexperten auch solche, an denen die Entwicklungsabteilungen der Fluidhersteller derzeit arbeiten.

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Materialien und Fluide beeinflussen sich gegenseitig

„Die Erkenntnisse waren je nach Medium durchaus überraschend. Das Verhalten mancher neuartiger Fluide weicht deutlich von klassischen Fluiden ab. Dennoch konnten wir geeignete Materialien identifizieren“, fasst Materialentwickler Dr. Tobias Möller zusammen. „Unsere Leitfragen waren: Welche Quellungen erzeugen die Fluide in den Polymermaterialien? Und umgekehrt, haben die Materialien Auswirkungen auf die Fluide? Die Versuchsbedingungen waren anspruchsvoll.“

Standardisierte Testkörper aus den Polymermaterialien wurden für eine definierte Dauer in die Fluide eingelagert. Um Langzeiteffekte zu berücksichtigen und die Einlagerung zu beschleunigen, lag die Temperatur erheblich höher als in Batteriesystemen üblich und erwünscht. Anschließend wurden physikalische Schlüsseleigenschaften der Testkörper bestimmt, die für die volle Funktionsfähigkeit einer Dichtung über ihre gesamte Lebensdauer ausschlaggebend sind, etwa Volumen, Gewicht, Rückstellverhalten, Reißdehnung, und Härte.

Verhalten von polymeren Werkstoffen in Kühlkreisläufen

„Die Studie hat große Klarheit gebracht. Nun haben wir einen umfassenden Überblick, wie sich die getesteten Polymermaterialien in typischen Kühlkreisläufen verhalten. Das ist eine vorzügliche Grundlage für das Entwickeln künftiger Seriendichtungen und Abstandselemente“, fasst Dr. Boris Traber zusammen, Leiter der weltweiten Werkstoffvorentwicklung des Unternehmens.

Auch zu den Fluiden wissen wir jetzt detaillierter Bescheid. Insgesamt kann Freudenberg Sealing Technologies bei konkreten Kundenanfragen fundierte Antworten geben und wie gewohnt verlässliche Produkte auch für diese neue Kühltechnologie liefern.“ Die Dynamik im Automobilmarkt sei längst spürbar: Das Unternehmen wird immer häufiger zu „Immersion Cooling“ für Batteriesysteme kontaktiert.

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