HV-Batterien: Verguss und Wärmemanagement

Wärmeleitpasten schützen vor Überhitzung und Vibrationen

Thermische Einflüsse haben enorme Auswirkungen auf die Lebensdauer, Kapazität und vor allem die Betriebssicherheit von Li-Ion-Traktionsbatterien. Um möglichen Defekten und Schäden durch Überhitzung vorzubeugen, kommen hier große Mengen an wärmeleitenden Vergussmaterialien zum Einsatz.


Die Elektromobilität nimmt Fahrt auf: Fahrzeuge mit alternativem Antrieb gelten als zentraler Baustein im Kampf gegen Lärmbelastung und stetig steigende Emissionen. Verschiedene europäische Staaten planen bereits jetzt den Abschied vom Verbrennungsmotor. In China – aktuell der weltgrößte Markt für E-Fahrzeuge – gilt schon ab 2019 eine verbindliche Quotenregelung für Elektro- und Hybridautos.

Das Herzstück dieser Fahrzeuge bildet die eingebaute Hochvolt (HV)-Batterie. Sie dient als elektrochemischer Energiespeicher, der den Elektromotor mit Strom versorgt. Da sie derzeit unter allen verfügbaren Batterietechnologien die beste Performance aufweist, hat sich hier die Lithium-Ionen-Technologie als Leittechnologie herausgebildet. Neben ihrer hohen spezifischen Leistung und Energie zeichnen sich Li-Ionen-Traktionsbatterien auch durch einen hohen Wirkungsgrad beim Lade- und Entladeprozess sowie eine geringe Selbstentladung aus. Nachteilig sind ihr hohes Gewicht, eine noch nicht zufriedenstellende Ladekapazität sowie vergleichsweise hohe Kosten.

Grundsätzlich besteht eine HV-Batterie aus hunderten bis tausenden Einzelzellen verschiedenster Form und Leistungsklassen. Diese Zellen werden zu Modulen gefügt, die in Summe wiederum die finale Traktionsbatterie bilden. Das Design der Batteriezellen variiert je nach Hersteller bzw. Fahrzeugbauer. Zentrale Entscheidungskriterien sind hier Faktoren wie Energiedichte, Kühleigenschaften bzw. Wärmeableitung, Fertigungskosten, Gewicht, Skalierbarkeit oder mechanische Stabilität. Aktuell sind zylindrische und prismatische Formen ebenso im Einsatz wie Pouch-Zellen, die aufgrund ihrer äußerlichen Ähnlichkeit mit eingeschweißtem Kaffeepulver auch als „Coffeebag“-Zellen bezeichnet werden.

HV-Batterien: Wärmemanagement von zentraler Bedeutung

Mit der HV-Batterie verbunden sind verschiedenste mechanische und elektronische Komponenten, die für einen effizienten, langfristigen und vor allem sicheren Betrieb sorgen. Eine der wichtigsten Komponenten ist das Gehäuse, das die Module der Traktionsbatterie während der Fahrt vor schädlichen Umwelteinflüssen wie Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit schützt.

Auch thermische Einflüsse spielen hier eine zentrale Rolle: Für den Normalbetrieb eines E-Fahrzeugs sind Außentemperaturen von 10 bis 25°C und Betriebstemperaturen von ca. 20 bis 40°C optimal. Über- oder unterschreiten die Temperaturen diesen Idealbereich, kann dies die Lebensdauer, Kapazität und insbesondere die Betriebssicherheit der HV-Batterie negativ beeinflussen. So sorgen erhöhte Temperaturen beispielsweise für eine schnellere Degradation der in den Batteriezellen verwendeten Materialien und somit für eine raschere Alterung. Zu hohe thermische Belastungen können auch interne Kurzschlüsse und in der Folge schwere bis irreparable Schäden an Traktionsbatterie und Fahrzeug verursachen.

Um dies zu verhindern, verfügt jedes E-Fahrzeug über ein Battery Management System (BMS), das neben der Steuerung und Überwachung des aktuellen Ladezustands (State of Charge, SoC) der HV-Batterie auch für das Thermomanagement zuständig ist. Um einen sicheren Betrieb und eine optimale Performance und Lebensdauer gewährleisten zu können, wird die Traktionsbatterie bei hohen Temperaturen mittels des im Gehäuse verbauten Kühlystems gekühlt.

Zuverlässiger Wärmetransfer dank Wärmeleitpasten

Zusätzlich kommen hier große Mengen an Wärmeleitpaste bzw. Gap Filler zum Einsatz. Pro Fahrzeug werden etwa 5 bis 10 Liter dieser hochviskosen und mit wärmeleitenden Füllstoffen angereicherten Materialien zwischen die Module und das Batteriegehäuse dosiert – Tendenz steigend. Sie sorgen – unterstützend zur Kühlung mittels Wasser oder Kühlmittel – für einen zuverlässigen Wärmetransfer zwischen der HV-Batterie und dem Gehäuse und tragen so dazu bei, potenzielle Defekte durch Überhitzung zu verhindern. Aufgrund ihrer weichen, flexiblen Konsistenz schützen sie die teils empfindlichen Komponenten der Traktionsbatterie zudem vor Stößen und Vibrationen während der Fahrt.

Sowohl aufgrund der großen Volumina, die innerhalb der geforderten Taktzeit dosiert werden müssen, als auch aufgrund ihrer hohen Viskosität und der abrasiven Füllstoffe stellt der Auftrag von Wärmeleitmedien höchste Ansprüche an die verwendete Dosiertechnik. Speziell für den Verguss von HV-Batterien hat Scheugenpflug eine neue Systemlösung, bestehend aus Dosiersystem und Materialförderung, im Programm. Diese erlaubt hohe Durchflussraten und somit einen erhöhten Teiledurchsatz – selbst bei hochabrasiven Vergussmaterialien.

Bis zu 80 ml/s bei hochpastösen Medien

Basierend auf seinem bewährten Kolbendosierer hat Scheugenpflug den neuen volumetrischen Hochleistungsdosierer Dos HP entwickelt. Mit diesem Dosiersystem lassen sich Austragsraten von bis zu 80 ml/s (max. Volumen pro Schuss: 370 ml) erzielen – bei konstant hoher Dosiergenauigkeit. Um einen ausreichend großen Verfahrbereich für den Medienauftrag sicherzustellen, wird der Dos HP auf einen Roboterarm montiert.
Die schnelle und prozesssichere Förderung des Vergussmaterials zum Dosiersystem übernimmt das Fassfolgeplattenystem PailFeed200 Abrasive für 200 l-Fässer. Das Fördervolumen der integrierten Doppelkolbenpumpe liegt bei 480 cm3/Hub, der mögliche Förderdruck bei bis zu 65 bar.

Sie haben Fragen? Kontaktieren Sie uns!

Telefon+49 9445 9564 0