Supercharging dank immersiver Kühlsysteme ‒ die Suche nach geeigneten Werkstoffen

Mit zunehmender Mobilität steigen auch die Anforderungen an die Geschwindigkeit des Ladevorgangs. Tatsächlich gibt es inzwischen immer mehr Schnellladesäulen, an denen Elektroautos in rasendem Tempo betankt werden können: Dort kann ein Akku dank einer Leistung von mehreren Hun­dert Kilowatt zum Teil innerhalb von nur 30 Minuten zu etwa 80 Prozent befüllt werden! Da jedoch bei einem solchen Ladevorgang eine äußerst hohe Ener­giemenge fließt ‒ sie übersteigt die in entgegengesetzter Richtung fließende Energie sogar bei Hochleistungsbetrieb eines E-Rennwagens um das Zwei- bis Dreifache ‒ erhitzt sich der Akku stark. 

Die starke Erwärmung birgt die Gefahr einer dauerhaften Schädigung des Ak­kus: Es kann zu einer verminderten Leistungsaufnahme und einer Verkürzung der Lebensdauer kommen. Um dies zu verhindern, gibt es Kühlsysteme, wobei die gängigen Systeme den extremen Anforderungen der schnellen Ladevor­gänge nicht mehr gewachsen sind. Daher wird schon länger an alternativen Kühlsystemen geforscht. Im Gegensatz zu den hergebrachten Systemen, wel­che das gesamte Zellsystem von außen kühlen, basiert dieser neuartige An­satz der Flüssigkeitskühlung auf dem Prinzip der Einbettung, des sogenannten Battery Immersion Cooling.  

Immersionskühlsysteme führen Wärme effektiv ab

Bei dieser Form der Kühlung werden die Zellen vom Kühlmedium umspielt, das die entstehende Wärme aufnimmt und direkt abführt. Die Herausforderung bei dieser Art von Kühlsystemen besteht darin, dafür geeignete Materialien zu finden, denn die Kühlmedien müssen aufgrund ihres unmittelbaren Kontakts mit den Zellen andere chemische Eigenschaften haben als die herkömmli­chen. Eine wichtige Anforderung ist die der elektrischen Isolierfähigkeit.  

In der Autoindustrie werden deshalb unterschiedliche Materialien und Stoff­klassen getestet, die für solche immersiven Kühlsysteme infrage kommen. Eine zentrale Komponente der Systeme sind Dichtungselemente, weitere sind Zell­abstandshalter, Medienspeicher und Verbindungselemente: Bei all diesen Komponenten müssen die chemischen Eigenschaften an die des jeweiligen Kühlmediums angepasst werden.  

Studie zur Eignung polymerer Materialien

Im Rahmen einer von Freudenberg Sealing Technologies durchgeführten breit angelegten Studie wurden verschiedene polymere Werkstoffe im Hinblick auf ihre Verträglichkeit mit unterschiedlichen Kühlmedien untersucht. Zu den ge­testeten Fluiden gehören Öle auf Esterbasis und isoparaffinische Öle ‒ Erstere werden bei der direkten Kühlung häufig eingesetzt. Darüber hinaus wurden auch derzeit noch in der Entwicklung befindliche Fluide analysiert. Die Unter­suchung soll eine solide Datenbasis für künftige Anfragen von Kunden liefern.

Wie Dr. Tobias Möller, Materialentwickler, erklärt, war die Untersuchung im We­sentlichen von zwei Fragestellungen geleitet: Erstens ging es darum, die Aus­wirkungen der flüssigen Kühlmedien auf die polymeren Dichtungsmaterialien zu prüfen bzw. inwiefern es bei diesen zu Quellungen kommt. Zweitens sollte untersucht werden, ob und, wenn ja, wie sich die Polymerwerkstoffe umge­kehrt auf die Fluide auswirken.

Bei der Untersuchung wurden den Polymerwerkstoffen Testkörper in standardi­sierter Form entnommen und für eine bestimmte Dauer in den Kühlflüssigkei­ten eingelagert. Zur Berücksichtigung von Langzeiteffekten wurde die Tem­peratur gegenüber der in Batteriesystemen üblichen deutlich erhöht. In einem zweiten Schritt wurden die für die Funktionsfähigkeit von Dichtungen relevan­ten Eigenschaften der Testkörper identifiziert, und zwar über ihre Gesamtle­bensdauer. Dazu zählen Gewicht, Volumen, Reißdehnung, Härte und Rück­stellverhalten. 

Wechselseitige Effekte

Die in ihrer Versuchsanordnung anspruchsvolle Untersuchung lieferte verwert­bare und zum Teil auch unerwartete Erkenntnisse. Dies betrifft besonders das Verhalten mancher erst kürzlich entwickelter Fluide. Wie der Leiter der Werk­stoffvorentwicklung von Freudenberg Sealing Technologies, Dr. Boris Traber, erklärt, bilden die in der Studie gewonnenen Erkenntnisse zum Verhalten der Polymermaterialien in fluiden Kühlmedien die Basis für die Entwicklung von Dichtungen und Abstandskomponenten, die später in Serie gehen werden.  

Umgekehrt weiß man jetzt auch mehr über das Verhalten der Fluide unter dem Einfluss von Polymerwerkstoffen. So kann Freudenberg Sealing Technolo­gies immer mehr Kunden in der Automobilindustrie mit den geeigneten Immersion-Cooling-Lösungen für Batterien und Akkus versorgen.

Quelle: elektronikpraxis.de, 24.03.2023, Dipl-Ing.(FH), Hendrik Härter
Bild: Freudenberg, Sealing Technologies