Batterien von Elektroautos – gut gekühlt

Batterien liefern Elektroautos den »Kraftstoff« zum Fahren – sie sind quasi das Herzstück der Fahrzeuge. Sollen die Batterien möglichst lange leben, dürfen sie nicht zu stark überhitzen: Ihr »Wohlfühlbereich« liegt zwischen 20 und 35 Grad Celsius. Doch schon ein Sonntagsausflug mittags im Hochsommer heizt die Batterie stärker auf, als sie vertragen kann.

Die Schäden können schwerwiegend sein: Betreibt man den Akku bei 45 Grad Celsius statt bei 35 Grad, hält er nur halb so lange. Eine neue Batterie ist jedoch teuer – der Preis kann durchaus bei der Hälfte des Fahrzeugpreises liegen. Die Batterien sollten daher gekühlt werden. Bisherige Kühlsysteme sind jedoch noch nicht ausgereift: Üblicherweise kühlt man die Batterien entweder gar nicht – etwa solche, die beim »Tanken« einfach gegen eine voll geladene ausgetauscht werden können – oder mit Luft.

Luft kann jedoch nur wenig Wärme aufnehmen und leitet sie schlecht weiter. Zudem müssen die Batteriezellen einen großen Abstand zueinander haben, damit ausreichend frische Luft hindurchströmen kann. Wasserkühlungen stecken noch in den Anfängen: Sie weisen eine bessere Wärmekapazität als Luft auf und können die Wärme besser abtransportieren – allerdings ist der Wasservorrat begrenzt, während Luft in beliebigen Mengen durch die Batterie strömen kann.

Mehr Platz im Motorraum
Künftig gibt es eine Alternative, um die Batterien nicht zu heiß werden zu lassen – das Kühlmittel CryoSolplus. Dieses ist ein Gemisch aus Wasser und Paraffin, stabilisierenden Tensiden und etwas Frostschutzmittel Glycol, es ist somit eine Dispersion. Der Vorteil: CryoSolplus kann dreimal so viel Wärme aufnehmen wie Wasser und Extremsituationen wie Autobahnfahrten im Hochsommer besser abpuffern. Der Vorratstank kann daher kleiner sein als bei einer Wasserkühlung – im Motorraum lässt sich so Gewicht und Platz sparen. Zudem leitet CryoSolplus die Wärme gut. Sie fließt schnell von den Batteriezellen in das Kühlmittel ab. Die Kosten sind nur geringfügig höher als bei einer Wasserkühlung – die Mehrkosten liegen bei etwa 50 bis 100 Euro. Entwickelt wurde das Kühlmittel von Forschern am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen.

Das Prinzip: Nimmt CryoSolplus Wärme auf, »schmelzen« die festen Paraffin-Kügelchen zu Paraffin-Tropfen und speichern die Wärme somit. Kühlt die Lösung ab, erstarren die Tropfen wieder. Man spricht auch von Phasen-Wechsel-Materialien. »Der Hauptknackpunkt bei der Entwicklung lag in der Stabilität der Dispersion«, erläutert Dipl.-Ing. Tobias Kappels, Wissenschaftler am UMSICHT. Denn die einzelnen Paraffin-Kügelchen dürfen nicht zusammenklumpen und sich – da sie leichter sind als Wasser – auch nicht an der Oberfläche sammeln. Vielmehr sollen sie sich gut im Wasser verteilen. Tenside stabilisieren die Dispersion. Sie lagern sich an den Kügelchen an und bilden eine Art schützende Hülle. »Um herauszufinden, welche Tenside sich am besten eignen, haben wir die Dispersion bei drei unterschiedlichen Belastungen untersucht: Wie lange lässt sie sich lagern, ohne Schaden zu nehmen? Wie gut hält sie mechanische Belastungen aus, etwa das Pumpen durch Rohrleitungen? Und wie stabil ist sie, wenn man sie thermischen Belastungen aussetzt, also etwa einfriert und wieder auftaut?« so Kappels. Weitere Punkte, die die Forscher optimieren, sind die Wärmekapazität, die Wärmeübergangseigenschaften und die Fließfähigkeit. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler Feldtests durchführen und das Kühlmittel in einem Versuchsfahrzeug testen.