Thermoelektrik – Eine neue Art der Batterietemperierung

Eine thermoelektrische Batterietemperierung mittels thermoelektrischer Wärmepumpe – integriert in eine Batterieplatte – stellt eine interessante Alternative zu klassischen Temperierungsmethoden mit Anbindung an die Klimaanlage und separater Heizkomponente dar. Die Konzernvorausentwicklung von MAHLE hat diese disruptive Technologie in den letzten drei Jahren vorentwickelt und nun für die Serienentwicklung freigegeben.

Eine Li-Ionen-Batterie muss im Betrieb im Temperaturbereich von ca. 0 °C bis 45 °C gehalten werden, damit sie die geforderte lange Lebensdauer erfüllen kann. Bei hohen Außentemperaturen kommt der Motorkühlkreislauf dabei an seine Grenzen, weswegen die Batterieabwärme heute über den Klimakreislauf des Fahrzeugs abgeführt wird. Zur Batterieheizung im Winter sind dann z. B. Wasserheizer oder Folienheizer nötig. In letzter Zeit rückt die Batterietemperierung mittels thermoelektrischer Wärmepumpe in den Mittelpunkt. Die Vorteile sind eine intrinsische Heizfunktionalität und eine systemische Unabhängigkeit von dem Klimakreislauf, geringere Komplexität und reduzierter Bauraum.

Bei der thermoelektrischen Wärmepumpe nutzt man den Peltiereffekt. Je nach Richtung des angelegten elektrischen Stroms wird Wärme von einer Seite der thermoelektrische Module (TEM) auf die gegenüberliegende Seite gepumpt, sodass sich die TEM an einer Seite aufheizen, während sie sich an der anderen Seite abkühlen. Die thermoelektrische Batterieplatte (TE-Batterieplatte) besteht aus mehreren TEM, die auf einer Seite über einen Wärmeverteiler mit den Batteriezellen und auf der anderen Seite mit einer Fluidplatte mit einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf verbunden sind. Mit einer Elektronik zur Ansteuerung der TE-Wärmepumpe kann die Li-Ionen-Batterie direkt mit elektrischer Energie gekühlt und geheizt werden.

Wesentliche Bestandteile der TE-Batterieplatte sind TEM, die weltweit von verschiedenen Herstellern angeboten werden. Ihr Grundmaterial ist vergleichbar; ihr innerer Aufbau unterscheidet sich aber wesentlich – und das hat Einfluss auf die Dauerhaltbarkeit. Um die Automotive-typischen Spezifikationen zu erfüllen, hat MAHLE deshalb ein TEM Prüffeld aufgebaut. Es ermöglicht einerseits die Charakterisierung und Überprüfung der TE-Parameter der verschiedenen Module, andererseits können umfangreiche Testreihen mit TEM diverser Hersteller durchgeführt werden, auch bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen.

Die Thermoelektrik bietet also aufgrund der Unabhängigkeit vom Klimakreislauf und integrierten Heizfunktionalität große Vorteile gegenüber der klassischen Batterietemperierung mittels Luft, Kälte- und Kühlmittel, besonders für Mild-Hybride und Elektrofahrzeuge. Zur Nutzung dieser Technologie ist ein tiefes Verständnis nicht nur der Thermodynamik, sondern auch der thermoelektrischen Module und deren Ansteuerung, Dauerhaltbarkeit sowie Integration in die Wärmeübertrager notwendig. Nur durch dieses Zusammenspiel kann ein attraktives Produkt im Hinblick auf Kosten, Gewicht und Bauraum dargestellt werden.

  • Bei der thermoelektrischen Batteriekühlung nutzt man den sogenannten Peltier-Effekt aus.
  • Die Vorteile sind eine intrinsische Heizfunktionalität und eine systemische Unabhängigkeit vom Klimakreislauf, geringere Komplexität und reduzierter Bauraum.