Elektroauto Schnellladung: Eine Frage der Temperatur

Elektroauto-Batterien mögen keine Hitze. Um sie auch im Hochsommer im klimatischen Wohlfühlbereich zu halten, ist ein leistungsfähiges Thermomanagement nötig. Dessen Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft, hoffen Hersteller und Zulieferer. Und rechnen vor allem mit künftig geringeren Ladezeiten.

Richtig wohl fühlen sich die Zellen der Lithiumbatterien nur zwischen 10 und 35 Grad Celsius. Ab 45 Grad droht sogar der Ausfall. Der relativ enge Temperaturbereich sollte eingehalten werden, damit die Batterie immer ihre volle Leistung bringt, schnell Strom aufnimmt und nicht vorzeitig altert. Probleme machen aber nicht nur ein heißer Sommer, sondern auch die immer höheren Ladeleistungen.

Fließt die Energie mit hohem Tempo in den Akku, wird dabei Wärme frei. Dafür, dass der Akku nicht zu heiß wird, sorgt das sogenannte Thermomanagement. Je nach Fahrbetrieb und Außentemperatur kühlt oder erwärmt es die Zellen. Viele Auto berücksichtigen dabei auch anstehende Ladestopps und regeln das Binnenklima so, dass der Strom an der Ladesäule mit voller Stärke fließen kann. "Vorkonditionierung" nennen das die Autohersteller.

Elektroautos: Frühes Phänomen "Rapidgate"

Frühe Elektroautos verzichten häufig noch auf eine aktive Kühlung zur Klimatisierung des Batteriepakets, das sich dadurch vor allem auf längeren Strecken nur schwer herunterkühlen konnte. Ging es dann an eine Schnellladesäule, lud der überhitzte Speicher nur im Schneckentempo Strom nach. Statt der theoretisch möglichen Ladeleistung halbierte die Lademanagement-Software den Wert, um Schäden am Akku zu vermeiden.

Die Standzeit am Stecker verdoppelte sich dadurch mindestens. Bekannt geworden ist das Phänomen unter anderem bei frühen Nissan Leaf unter dem Namen „Rapidgate“. Vor allem in den heißen und staureichen Teilen der USA nagte das stark am Image des Nippon-Stromers.

Dass zu viel Wärme beim Schnellladen gefährlich ist, ist ein physikalischer Grundsatz, der vor allem beim Nachtanken zum Problem wird. Je kürzer die Ladezeit, desto mehr erwärmt sich die Zelle. Wenn man sie zu sehr erhitzt, zerstört man sie von innen. Die Hitzeanfälligkeit der Zellen ist eines der größten Hindernisse beim Verkürzen der Ladezeiten. Das Thermomanagement kommt an seine Grenzen.

Die aktuellen Systeme bestehen in der Regel aus einem Kühler und einer Pumpe, die Flüssigkeit durch die unteren Kühlplatten leitet. Dazwischen befinden sich die Batteriemodule. Der obere Teil der Zelle ist so nur schwer zu kühlen. Daher wird die Stromversorgung des Schnellladegeräts aus Sicherheitsgründen gedrosselt und liegt oft weit unter den vom Hersteller angegebenen Werten.

Viel Optimierungspotenzial bei Batterien

Obwohl sich die aktive Flüssigkühlung in den vergangenen Jahren durchgesetzt hat, gibt es also noch viel Optimierungspotenzial. Zulieferer Valeo hat nun ein fortschrittliches immersives Kühlsystem vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine sogenannte dielektrische Flüssigkeitskühlung, die alle Batteriezellen des Akkupacks umspült. Die einzelnen Zelle befindet sich in einem leichten, modularen Gehäuse, in dem die Kühlflüssigkeit zirkuliert, so dass an jeder Zelle permanent Wärme abgeführt werden kann.

Erste Tests haben laut Valeo ergeben, dass das immersive Kühlsystem Schnellladevorgänge um 30 Prozent verkürzt. Mit der Technik lässt sich demnach ein Standard-Akku innerhalb von 12 Minuten von 10 auf 80 Prozent bringen, während der Vorgang mit einem herkömmlichen Thermomanagementsystem rund 18 Minuten dauert. Bei gleicher hydraulischer Pumpleistung kühlt das System 36 Prozent effektiver als Systeme mit Kühlplatte.

Intelligente Thermomanagementsysteme

Aber auch durch weniger grundlegende Eingriffe sind Verbesserungen möglich. Der Stuttgarter Zulieferer Mahle etwa will durch kompakte Konstruktion Kosten und Komplexität des Kühlsystems senken und gleichzeitig die Effizienz erhöhen. So sind beispielsweise Wärmetauscher, Kühlmittelpumpen, Kondensator, Chiller, Sensorik und Ventile in einer Einheit zusammengefasst. Das soll Kosten senken und Effizienz erhöhen. Bis zu 20 Prozent mehr Reichweite gegenüber einer reinen E-Heizer-Architektur verspricht das Unternehmen. Die höhere Kühlperformance verbessere zudem die Schnellladefähigkeit.

Zusätzlich werden Thermomanagementsysteme immer intelligenter und umfassender. Die aus der Batterie abgeführte Wärme etwa wird an anderer Stelle genutzt, etwa im Winter zum Aufheizen des Innenraums, zum Beispiel in Kombination mit einer Wärmepumpe.

Die benötigt dann nur wenig Strom, um mit allen vorhandenen Wärmequellen in und außerhalb des Fahrzeugs den Innenraum aufzuheizen. Während die Klimatisierung des Antriebs und die des Innenraums bei Verbrenner-Fahrzeugen noch klar getrennt waren, werden sie beim E-Mobil zunehmend zusammen gedacht, um möglichst effiziente und günstige Lösungen zu finden.