Was ist eine Immersionskühlung?

Schnellladefähigkeit, Sicherheit und lange Lebensdauer: Die Anforderungen an Lithium-Ionen-Akkus sind hoch. Um sie zu erfüllen, ist ein ausgeklügeltes Thermomanagement notwendig. 

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Steigen die Leistungs- und Sicherheitsanforderungen in Elektrofahrzeugen, benötigen die Batteriesysteme ein intelligentes Thermomanagement. Denn bei extremer Leistungsabgabe, etwa beim Supercharging, erwärmt sich die Antriebsbatterie erheblich. Die entstehenden Temperaturen können die Leistungsfähigkeit gängiger Flüssigkeitskühlsysteme, die komplette Batteriezellsysteme von außen kühlen, übersteigen. Neuartige Kühlstrategien sollen dagegenhalten, wie etwa die Direktkühlung. Hier werden die Batteriezellen direkt von einem Kühlmittel umströmt, das die freigesetzte Wärme effektiv abführt. Da die Zellen und deren elektrische Ableiter in das Kühlmedium eingebettet sind, spricht man auch von Immersionskühlung ("Battery Immersion Cooling") oder Tauchkühlung. 

Dem Thermomanagement der Lithium-Ionen-Batterie kommt eine große Bedeutung zu. "Je mehr der freiwerdenden Wärme während des Ladens und Entladens abgeführt werden kann, desto zeiteffizienter können diese Vorgänge ablaufen. Ebenso beugt ein kontrolliertes Thermomanagement einer ungleichmäßigen und vorzeitigen Alterung der Batteriezellen vor und ermöglicht damit eine verlängerte Lebensdauer des gesamten Batteriesystems", erklärt APL im Artikel Charakterisierung von Fluiden für direktgekühlte Batterien (Seite 42) aus der MTZ 4-2022. Zudem lasse sich im Fall eines Thermal Runaways der Temperaturanstieg verzögern oder die Thermal Propagation sogar verhindern. 

Batterie-Kühlungsvarianten

Für die Umsetzung des Thermomanagements stehen verschiedene Kühlungsvarianten zur Verfügung, wie Dräxlmaier im Artikel Effizientes Thermomanagement bei Hochvoltbatterien (Seite 51f) aus der ATZelektronik 4-2020 erklärt. Unterschieden wird grundlegend zwischen aktiver und passiver Kühlung. Kühlmedium kann Luft oder ein Kühlmittel sein. Zur Temperierung von Hochvoltspeichern wird meist auf Kühlmittelkühlungen zurückgegriffen. Eine weitere Unterteilung erfolgt außerdem nach der Art der Einbindung des Kühlungsmediums in das Kühlkonzept. Hierbei spricht man entweder von direkter oder indirekter Temperierung. 

Um sich für ein optimales Kühlmedium und -system entscheiden zu können, müssen zahlreiche Vor- und Nachteile abgewogen werden. "Marktübliche Kühlsysteme, die auf eine indirekte Kühlung der Batterie setzen, beispielsweise mit Kühlplatten, stoßen bei hoher Beanspruchung an ihre Grenzen", wie APL betont. Direktgekühlte Batterien ermöglichten eine deutlich effizientere Kühlung, da die einzelnen Zellen im Batteriemodul von einem Kühlfluid umströmt werden und so in direkten Kontakt kommen. Allerdings ergeben sich daraus auch neue Anforderungen an die E-Fluide. Neben der Materialverträglichkeit mit Kunststoffen und Elastomeren sei laut APL eine Verträglichkeit mit den Batteriezellen unabdingbar. Die E-Fluide müssten zudem passende elektrische Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel eine hohe Durchschlagspannung.

Eignung von Polymermaterialien für die Immersionskühlung

Freudenberg Sealing Technologies hat in einer Studie die Eignung von Polymermaterialien und anderen Bauteilen für Kühlmedien untersucht, die in "Immersion Cooling"-Systemen eingesetzt werden. Die Materialien wurden unterschiedlichen Fluiden ausgesetzt. Getestet wurden unter anderem isoparaffinische Öle sowie esterbasierte Öle, die für eine Batteriedirektkühlung spezifiziert sind und verbreitet genutzt werden. Neben den gebräuchlichsten Fluiden betrachteten die Freudenberg-Materialexperten auch solche Typen, an denen die Entwicklungsabteilungen der Fluidhersteller derzeit arbeiten. "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 die Ergebnisse zusammen. Man habe nun einen Überblick, wie sich die getesteten Polymermaterialien in typischen Kühlkreisläufen verhielten, was eine Grundlage für das Entwickeln künftiger Seriendichtungen und Abstandselemente sei, so Dr. Boris Traber, Leiter der weltweiten Werkstoffvorentwicklung des Unternehmens.

Auch Automobilzulieferer Mahle arbeitet an der Immersionskühlung. Mahle setzt dabei auf eine nicht elektrisch leitende, dielektrische Kühlflüssigkeit, die die Zellen umströmt. Das soll dafür sorgt, dass die Maximaltemperatur der Batterie beim Laden deutlich sinkt und die Temperatur sich insgesamt deutlich homogener verteilt. Somit verkürze die Immersionskühlung die Ladezeiten von E-Autos erheblich. Die Batterien könnten damit kleiner ausfallen, was E-Autos günstiger und ressourcenschonender mache.