Batterien, Brennstoffzellen und Wechselrichter Thermomanagement: Neue Analysemethoden für den Einsatz in der Elektromobilität

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Für die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Effizienz moderner Elektrofahrzeuge spielt das Thermomanagement eine Schlüsselrolle. Der Beitrag stellt drei thermische Analyseverfahren vor, um Batterien, Brennstoffzellen und Wechselrichter zu optimieren.

Der Markt der Zulieferer in der Elektromobilität ist im Vergleich zu konventionellen Antrieben stark konzentriert. So ist beispielsweise die Anzahl der verschiedenen Batteriezellen auf dem Markt begrenzt. Das Thermomanagement wird zu einem der wichtigsten Differenzierungsmerkmale. Es entscheidet über Kosten, Effizienz, Sicherheit und Lebensdauer. Vor der thermischen Optimierung von Fahrzeugbatterien, Wechselrichtern oder Brennstoffzellen steht die thermische Analyse.

Die thermische Analyse neuer Systeme erfordert innovative Messmethoden. Im folgenden Text werden drei neue thermische Analysemethoden vorgestellt: Der TIM-Tester zur Charakterisierung von thermischen Interfacematerialien (TIMs), die GHFM-Apparatur zur Messung von Isolationsmaterialien bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise Zellzwischenmaterialien in der Fahrzeugbatterie und ein Aufbau zur thermischen Charakterisierung von anisotrop leitfähigen, dünnen Schichten, wie Gasdiffusionsschichten in Brennstoffzellen.

TIM-Tester für die thermische Charakterisierung von Interfacematerialien

Die Wärmeübertragung zwischen Festkörperoberflächen ist oft der Flaschenhals im Wärmepfad von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke. Mit thermischen Interfacematerialien (TIMs), wie beispielsweise Wärmeleitpasten, Wärmeleitpads, thermisch leitfähigen Klebstoffen oder Gap-Fillern, lässt sich der thermische Widerstand zwischen den Grenzflächen reduzieren. Für die thermische Optimierung des Wärmepfads ist es unerlässlich, die Wärmeleitfähigkeit der TIMs und den am Kontakt entstehenden thermischen Widerstand genau zu kennen.

Der TIM Tester wurde entwickelt, um den Wärmewiderstand R_th und die Wärmeleitfähigkeit λ von TIMs zu messen. Er basiert auf der stationären Zylindermethode nach ASTM D5470. Während der Messung wird das zu prüfende Material zwischen zwei Referenzzylinder aus Aluminium mit bekannten thermischen und geometrischen Eigenschaften gelegt. Die Oberseite des oberen Referenzzylinders wird elektrisch beheizt und die Unterseite des unteren Zylinders mit einer Flüssigkeit gekühlt. Es entsteht ein eindimensionaler Wärmestrom durch den oberen Referenzzylinder, durch die Probe und durch den unteren Referenzzylinder in das Kühlsystem. Der Wärmewiderstand R_th des TIM ergibt sich aus der Temperaturdifferenz ΔT an den beiden Zylinderoberflächen und dem Wärmestrom (Formel 1).

Durch Messung der Temperatur in den Referenzzylindern an mehreren Stellen kann der Temperaturgradient und damit der resultierende Wärmestrom bestimmt werden. Aufgrund von Wärmeverlusten an die Umgebung ist der im unteren Referenzzylinder gemessene Wärmestrom etwas geringer als der im oberen Referenzzylinder. Für die Auswertung wird der Mittelwert aus beiden Wärmeströmen verwendet.

Wärmeleitfähigkeit unter Berücksichtigung von Querschnittsfläche und Dicke

Die Wärmeleitfähigkeit ergibt sich mit der Formel 2

unter Berücksichtigung der Querschnittsfläche A und der Dicke d der Probe. Die einfache Physik macht den TIM-Tester extrem robust und wenig fehleranfällig. Es können Flächenpressungen von bis zu 2 N/mm² aufgebracht werden. Der Temperaturbereich reicht von 5 bis 120 °C.

Bild 1 zeigt die Messstrecke des TIM-Testers (links) und den gemessenen, spezifischen thermischen Widerstand einer Wärmeleitpaste abhängig von der aufgeprägten Flächenpressung. Mit zunehmender Flächenpressung bis 2 N/mm² ist eine deutliche Abnahme des Wärmewiderstands zu beobachten. Mit zunehmender Flächenpressung verbessert sich die thermische Ankopplung und die Materialdicke nimmt ab. In der Vergangenheit wurde den Messunsicherheiten bei der thermischen Analyse leider viel zu wenig Beachtung geschenkt. Die Angaben vieler Gerätehersteller zur Messunsicherheit beschränken sich oft auf einfache Richtwerte in der Bedienungsanleitung des Gerätes. Die angegebenen Messunsicherheiten sind oft unrealistisch niedrig. Das böse Erwachen kommt dann, wenn Messwerte aus verschiedenen Labors mit unterschiedlichen Messaufbauten verglichen werden. Abweichungen von mehr als 50 Prozent sind keine Seltenheit, selbst wenn sich die Messwerte auf das gleiche Normal beziehen.

Die Minimierung und Abschätzung der Messunsicherheit erfordert einen enormen Aufwand. Die Temperatursensoren in der Struktur müssen auf ein Hundertstel genau kalibriert und die Dicke der Probe mit einer Unsicherheit von weniger als zwei Mikrometern gemessen werden. Die Schichtdicke wird am besten mit einem optischen Verfahren gemessen, da so thermische Störwege, die das Messergebnis verfälschen, vermieden werden. Darüber hinaus ist eine hydraulische Ausgleichseinheit zur optimalen Ausrichtung der Referenzzylinder erforderlich. Nur so können die zusätzlichen thermischen Widerstände zwischen den Stempeloberflächen und der Probe minimiert werden.

Alterung und Zuverlässigkeit von thermischen Interfacematerialien

Neben der grundsätzlichen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit kann der TIM-Tester auch zur Untersuchung der Alterung und Zuverlässigkeit von TIMs eingesetzt werden. Durch eine langsame axiale Bewegung der Referenzzylinder kann die thermische Ausdehnung und Kompression bei Temperaturänderungen anwendungsnah nachgebildet werden. Die Ergebnisse liefern wertvolle Informationen über das Alterungsverhalten, wie beispielsweise die Delamination der TIMs von der angrenzenden Festkörperoberfläche. In den letzten Jahren hat sich die stationäre Zylindermethode und damit der TIM-Tester international als Standard für die thermische Charakterisierung von TIMs und Vergussmassen etabliert.

Eine weitere Anwendung des TIM-Testers ist die Messung von Metallkern-Leiterplatten. Hier war das Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) federführend an der Erstellung eines neuen internationalen Standards (IPC-TM-650 2.4.5 für die Messung von Metallkern-Leiterplatten – Metal Based Printed Boards MBPM) beteiligt.

GHFM-Apparatur für die Messung von Isolationsmaterialien bei hohen Temperaturen

In Fahrzeugbatterien werden Zellzwischenmaterialien zur thermischen Isolation eingesetzt, um die thermische Ausbreitung im Falle eines „Thermal Runaway“ zu verlangsamen. Dabei können Temperaturen von über 1000 °C auftreten. Gefordert ist eine geringe Wärmeleitfähigkeit in einem hohen Temperaturbereich bei hoher thermischer Beständigkeit. Eine neue Guarded Heat Flow Method (GHFM) wurde für die thermische Charakterisierung dieser Zellzwischenmaterialien bis 900 °C entwickelt. Die Prüfeinrichtung erlaubt Flächenpressungen bis zu 2,5 N/mm². Ähnlich dem Prinzip des TIM-Testers wird eine stationäre Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Proben angelegt. Das Messprinzip und die Auswertungen sind ähnlich wie beim TIM-Tester.

Das Bild 2 zeigt die GHFM-Apparatur (links) und beispielhafte Messergebnisse (rechts). Getestet wurde ein typisches Zellzwischenmaterial. Es zeigt sich eine deutlich ansteigende Wärmeleitfähigkeit von 0,045 W/(m K) bei 100 °C Heißseitentemperatur bis zu 0,09 W/(m K) bei 850 °C.

Neben der Flächenpressung sind die Heiß- und Kaltseitentemperaturen, die Probendicke und der Wärmestrom frei einstellbar oder werden kontinuierlich präzise gemessen. Aufgrund der extremen Prüftemperaturen treten während der Messungen erhebliche Wärmeverluste an die Umgebung auf. Um den Einfluss auf das Messergebnis zu minimieren, wird ein temperierter Schutzring um die aktive Messfläche gelegt (Guarded Heat Flow Method). Die anwendungsnahen Randbedingungen bei der Messung und die gute Reproduzierbarkeit lassen erwarten, dass sich das Verfahren zu einem neuen Standard für die Charakterisierung von Zellintermediaten entwickeln wird.

TC³-Analyzer für die thermische Charakterisierung von anisotrop leitenden dünnen Schichten

Materialien mit anisotroper Struktur, wie zum Beispiel Gasdiffusionsschichten in Brennstoffzellen, weisen in der Regel auch anisotrope Wärmeleiteigenschaften auf. Diese auf Kohlenstofffaserpapier basierenden Materialien sind porös und sehr dünn (25 bis 250 µm). Sie spielen eine wesentliche Rolle bei der Ableitung der in den Katalysatorschichten entstehenden Wärme.

Für die thermische Optimierung von Brennstoffzellen ist es daher unerlässlich, die Wärmeleitfähigkeit unter den im Betrieb auftretenden Randbedingungen genau zu kennen. Ein zu diesem Zweck neu entwickeltes Messverfahren ermöglicht Messungen unter anwendungsspezifischen Randbedingungen wie Temperatur, Feuchte, Flächenpressung oder Füllgas. Grundsätzlich wird bei diesen Dünnschichtmaterialien zwischen Messungen in der Probenebene und Messungen durch die Probenebene unterschieden.

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit in der Ebene stellt eine besondere Herausforderung dar. Grund dafür ist die im Vergleich zum wärmeleitenden Querschnitt deutlich vergrößerte Probenoberfläche. Dies führt unweigerlich zu hohen Wärmeverlusten. Dieses Problem wird durch Relativmessungen gelöst. Die Proben werden in der Messapparatur, dem TC³-Analyzer, auf einen Probenträger gelegt, der aus zwei konzentrisch angeordneten Ringen aus unterschiedlichen Referenzmaterialien besteht. Dadurch entfällt die fehleranfällige Bestimmung des Wärmestroms.

Wärmeleitfähigkeit und Anisotropie in Gasdiffusionsschichten

Die Probe ist nach oben durch eine Polymermembran abgedichtet und wird mit einer konstanten Flächenpressung beaufschlagt. Zwischen Probenträger und Polymermembran kann die für die Messung erforderliche Gasatmosphäre oder Temperatur und Feuchte eingestellt werden.

Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wird der Probenträger in der Mitte elektrisch beheizt und am äußeren Rand mit einem Fluid gekühlt. Die Wärme fließt von der Mitte radial nach außen zur Kühlung. Mit einem Infrarotsensor werden die örtlichen und zeitlichen Temperaturverläufe auf der Oberseite der Polymermembran gemessen. Messungen in der Ebene erfolgen unter stationären Bedingungen. Messungen durch die Membran hindurch sind dagegen instationär. Das neue Verfahren und der entwickelte TC³-Analyzer wurden in umfangreichen Untersuchungen kontinuierlich optimiert und validiert. Die mittlere Abweichung zu Referenzmessungen mit dem Laserblitzgerät nach ASTM E1461 beträgt ungefähr 3 %.

Das Bild 3 zeigt die beschriebene Apparatur mit einer exemplarischen Probe, die zur besseren Sichtbarkeit des Probenträgers halbiert wurde (links). Zusätzlich sind die in der Ebene gemessenen Wärmeleitfähigkeiten von zwei Gasdiffusionsschichten auf Kohlepapierbasis in 0°- und 90°-Richtung dargestellt (rechts). Es ist ein deutlicher Unterschied in den Wärmeleitfähigkeiten der beiden Materialien und jeweils eine starke Anisotropie (>20 %) zu beobachten.

Thermische Analysemethoden für Materialien in Elektrofahrzeugen

Die Entwicklung neuer Materialien für Elektrofahrzeuge stellt hohe Anforderungen an präzise thermische Analysemethoden. Die vorgestellten Verfahren ermöglichen exakte Messungen der Wärmeleitfähigkeit und decken anisotrope Eigenschaften auf. Diese Ergebnisse sind essenziell für thermische Optimierungen und dienen als Grundlage für numerische Simulationen zur Verbesserung der Systemleistung. (heh)

* Prof. Dr.-Ing. Andreas Griesinger und Robert Liebchen arbeiten an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) sowie am Zentrum für Wärmemanagement ZFW. Nikica Jurcevic und Oliver Roser arbeiten am Zentrum für Wärmemanagement ZFW.

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