Neues Kühlkonzept für Batterien in Elektrofahrzeugen

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Herstellung und Eigenschaften der Paraffin/Wasser-Dispersion

Paraffin/Wasser-Dispersionen bestehen aus Paraffin als dispergierte Phase und Wasser als kontinuierliche Phase. Aufgrund der schlechten Löslichkeit von Paraffin in Wasser, wird das Paraffin mit Hilfe eines Dispergators (Typ PT1300D der Fa. Kinematica AG) und der Zugabe von Emulgatoren bei erhöhten Temperaturen (60 bis 70 °C) in dem Wasser dispergiert (Bild 4). Die Agglomeration des Paraffins wird durch einen dichten Film von Emulgatoren auf der Paraffin-Wasser-Grenzfläche verhindert [1].

Entsprechend der Betriebstemperatur bei der Anwendung kann ein beliebiges Paraffin mit einem Phasenwechsel im gewünschten Temperaturbereich ausgewählt und dispergiert werden. Für erste Versuche wurde Parafol 18 (Octadekan) der Firma Sasol verwendet. Hergestellt und untersucht wurden Paraffin/Wasser-Dispersionen mit einer Paraffin-konzentration von 30 und 35 wt.-%. Bei der Herstellung entstehen stabile Dispersionen mit Tröpfchen- bzw. Partikelgrößen von 1 bis 10 µm (Bild 5a). Die Partikelgrößenverteilung wurde mittels Laserbeugungsverfahrens (Fa. Malvern, Typ Mastersizer 2000) bestimmt.

Die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen sowie die Schmelzenthalpie sind anhand der Differentialthermoanalyse (Fa. Netzsch, Typ DSC 204) bei einer Heiz- bzw. Kühlrate von 2 K min^–1 bestimmt worden; dabei variierte die Probenmasse zwischen 5 und 10 mg. Bild 5 b zeigt, dass der Schmelzpunkt bei etwa 28 °C und der Erstarrungspunkt bei ca. 25 °C liegen. Die gemessene Schmelzenthalpie des reinen Parafol 18 ist 240 kJ kg^–1.

Aus den Messungen der Differentialthermoanalyse lassen sich die thermischen Energiespeicherpotentiale aus Gleichung 1 ableiten. Das zugehörige Diagramm ist in Bild 6a gezeigt, indem die spezifische Wärmekapazität der Paraffin/Wasser-Dispersion (Δh_d) über der Temperatur aufgetragen wird.

Dabei sind X_p und X_w die Massenanteile von Paraffin und Wasser, Δh_f,p ist die Schmelzenthalpie des Paraffin, c_p,p und c_p,w sind die spezifischen Wärmekapazitäten von Paraffin (2,1 kJ kg^–1 K^–1) [3] und Wasser (4,18 kJ kg^–1 K^–1); des Weiteren liegt der betrachtete Temperaturbereich zwischen T₁ und T₂.

Im Vergleich zu Wasser lässt sich mit der Paraffin/Wasser-Dispersion im Temperaturbereich zwischen 20 und 30 °C etwa die doppelte Menge Wärme bezogen auf die Masse des Wärmeträgermediums speichern.

Die Viskositätsmessungen sind mit einem Kegel-Platte System (Typ Gemini TM von der Fa. Malvern Instruments Ltd.) mit einem Durchmesser von 40 mm, einem Konuswinkel von 4° und einem Abstand an der Konusspitze von 30 µm durchgeführt worden. Beispielhaft ist die dynamische Viskosität einer Paraffin/Wasser-Dispersion mit 30 wt.-% Paraffin über der Scherrate bei einer Temperatur von 22 °C in Bild 6b aufgetragen. Es lässt sich ein typisches scherverflüssigendes, pseudoplastisches Verhalten bei dieser Dispersion beobachten.

Voruntersuchungen mittels Thermographie

Der in Bild 7a schematisch dargestellte Versuchsaufbau wurde verwendet, um erste Untersuchungen zur Bauteilkühlung mit einer Paraffin/Wasser-Dispersion durchzuführen.

Dieser Versuchsaufbau besteht aus einer Testzelle, entsprechend Bild 7b, die mit dem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Ein Thermostat der Fa. Huber des Typs Ministat 240 temperiert das Wärmeträgermedium. Eine Heizplatte der Fa. Heidolph des Typs MR 3004 stellt die Wärmelast dar. Der Volumenstrom durch die Testzelle wird auf einen konkreten Wert gefahren und im Vorlauf zur Testzelle mit einem Coriolis-Durchflussmessgerät der Fa. Endress+Hauser (Fl in Bild 7a) erfasst.

Die Testzelle befindet sich auf der Heizplatte, welche die Unterseite der Testzelle beheizt, so dass das Wärmeträgermedium beim Durchströmen der Testzelle erwärmt wird. Die Temperatur der Heizplatte wird geregelt und die Leistungsaufnahme der Heizplatte erfasst. Die Deckplatte der Testzelle wird mit einer Thermografiekamera der Fa. FLIR des Typs T 425 beobachtet und das sich abbildende Temperaturprofil aufgenommen.

Bild 8 zeigt eine Fotografie der Testzelle und drei Thermografieaufnahmen, die jeweils das Temperaturprofil an der Oberfläche der Testzelle als Draufsicht während der Versuche zeigen.

Die Testzelle ist quadratisch, besitzt die Maße 130 mm x 130 mm und wird mit dem Wärmeträgermedium von links nach rechts durchströmt. Die Höhe des Strömungskanals beträgt 6 mm. Bild 8a ist eine Fotografie der Testzelle. Während der Versuche wurde die Heizplatte konstant auf 70 °C temperiert.

Im ersten Versuch (Bild 8b) wurde die Testzelle mit Wasser als Wärmeträgermedium bei einem Volumenstrom von 40 l h^–1 durchströmt. Über die gesamte Testzelle ist ein ausgeprägtes Temperaturprofil zu erkennen. In der oberen Hälfte der Testzelle treten deutlich höhere Temperaturen auf als in der unteren Hälfte. Es scheint, als würde ein heterogenes Strömungsprofil innerhalb der Zelle vorliegen. In einem zweiten Versuch wurde der Wasser-Volumenstrom auf 70 l h^–1 erhöht (Bild 8c). Bei diesem erhöhten Wasser-Volumenstrom bildet sich ein deutlich homogeneres Temperaturprofil aus, allerdings ist die Temperatur in der oberen linken und rechten Ecke gegenüber den anderen Bereichen der Testzelle weiterhin leicht erhöht.

Abschließend wurde die Testzelle mit einer Paraffin/Wasser-Dispersion als Wärmeträgermedium mit einem Volumenstrom von 40 l h^–1 durchströmt. Hierbei wurde eine Paraffin/Wasser-Dispersion mit 30 wt.-% Heptadekan eingesetzt. Das eingesetzte Paraffin hat eine Schmelzenthalpie von 170 kJ kg^–1 und einen Schmelzbereich, der zwischen 21 und 24 °C liegt [2]. Die Oberflächentemperatur der Testzelle zeigte eine deutlich homogenere Temperaturverteilung als bei den Versuchen mit Wasser, wobei dennoch ein kleiner Temperaturgradient vorhanden ist.

Die Thermografieaufnahmen deuten darauf hin, dass sich die Testzelle deutlich gleichmäßiger mit der Paraffin/Wasser-Dispersion kühlen lässt, als das mit Wasser möglich wäre. Allerdings sind weitere Untersuchen notwendig, um den Wärmeübergang und die Strömungsvorgänge in der Testzelle vollständig zu charakterisieren.

In diesem Artikel ist ein thermisches Batteriemodell vorgestellt, anhand dessen die Notwendigkeit der Batteriekühlung von Elektrofahrzeugen dargelegt wird. Des Weiteren wird ein Batteriekühlungskonzept erläutert, bei dem eine neuartige Paraffin/Wasser-Dispersion als Kühlmedium eingesetzt wird. Nachfolgend werden thermophysikalische Eigenschaften dieser Dispersion beschrieben (Partikelgrößenverteilung, Schmelz- und Erstarrungspunkt, Schmelzenthalpie und Viskosität).

Abschließend werden erste Ergebnisse von Thermographieuntersuchungen vorgestellt, die darauf hindeuten, dass durch den Einsatz der Paraffin/Wasser-Dispersion zur Kühlung von elektronischen Bauteilen eine homogenere Kühlung als mit Wasser erzielt werden kann.

Literatur

[1] Lagaly, G. et al.: Dispersionen und Emulsionen. Einführung in die Kolloidik feinverteilter Stoffe einschließlich der Tonminerale, Steinkopff, Darmstadt (1997)

[2] Hanu, L. et al.: Phase Change Slurries in Panel Cooling Systems for Buildings, The 12th International Conference on Energy Storage, Innostock Proceedings, Lleida, Spanien (2012)

[3] Huang, L.: Paraffin/Water Phase Change Emulsion for Cold Storage and Distribution Applications, Karl Maria Laufen Verlag, Oberhausen (2009).

[4] Taetz, C. et al.: Battery Thermal Management using Phase Change Slurries, 10th IIR Conference on PCMs and Slurries for Refrigeration and Air Conditioning, Kobe (Japan), Refrigeration Science and Technology Proceedings (2012)

* * Christoph Taetz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Verfahrenstechnische Transportprozesse.

* Clemens Pollerberg arbeitet am Fraunhofer-Institut UMSICHT in Oberhausen.

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