Industriefahrzeuge mit Elektroantrieb haben sich im Laufe der Jahre stark modernisiert und weiterentwickelt. Sie sind heute für anspruchsvolle Aufgaben geeignet und arbeiten lange Zeit unter harten Bedingungen. Da sie stark auf leistungsstarke Batteriesysteme angewiesen sind, erzeugen sie bei hohen Temperaturen und extremen Arbeitsbedingungen auch überschüssige Wärme.
Um die Wärmeentwicklung zu regulieren, Batterien auf optimaler Temperatur (15–35 °C) zu halten und ihre Lebensdauer zu verlängern, verwenden Hersteller wärmeleitende Materialien. Als Ingenieur sollten Sie wissen, wie wärmeleitende Materialien die Leistung von Elektrofahrzeugen im industriellen Einsatz verbessern. Genau darum geht es in diesem Blogbeitrag.
In diesem Leitfaden erläutern wir, was wärmeleitende Materialien sind und warum ein effektives Wärmemanagement bei Elektrofahrzeugbatterien unerlässlich ist. Wir stellen Ihnen außerdem die besten wärmeleitenden Lösungen vor und erläutern die Faktoren, die bei der Materialauswahl zu berücksichtigen sind.
Dann lasst uns einsteigen!
Was sind wärmeleitfähige Materialien?
Bevor wir uns mit wärmeleitfähigen Materialien befassen, betrachten wir zunächst die Grundlagen der Wärmeleitfähigkeit. Der Begriff Wärmeleitfähigkeit (auch Wärmeleitung genannt) beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme von einem Punkt zum anderen zu transportieren. Sie wird üblicherweise mit k abgekürzt und in W/mK gemessen . Ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit leitet Wärme schnell, während ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit eher isolierend wirkt.
In elektronischen oder elektrischen Systemen fließt Wärme naturgemäß von wärmeren zu kühleren Bereichen. Durch den Einsatz von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit lässt sich der Wärmetransport um bis zu 2 % verbessern und so ein Wärmestau im Inneren des Geräts verhindern. Diese Wärmeleitmaterialien dienen als Wege, die die Wärme von wärmeerzeugenden Komponenten (wie Batteriezellen) schneller zu Kühlkörpern oder Kühlstrukturen ableiten und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit erhalten.
Die thermischen Eigenschaften eines leitfähigen Materials hängen jedoch stark von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören Materialzusammensetzung, Dichte, Dicke und innere Struktur. Beispielsweise weisen viele reine Metalle aufgrund freier Elektronen und einer längeren mittleren freien Weglänge eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Nichtmetallische Feststoffe hingegen besitzen üblicherweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit. In hochwertigen Kristallmaterialien kann der Wärmetransport entlang verschiedener Kristallachsen variieren.
In Lithium-Ionen-Akkus und elektronischen Systemen kommen verschiedene Wärmeleitmaterialien zum Einsatz. Am häufigsten werden Wärmeleitmaterialien (TIMs) verwendet. Dazu gehören Wärmeleitpasten, -fette, -gele, Spaltfüller, -pads und Klebstoffe. Diese Materialien füllen mikroskopisch kleine Luftspalte zwischen Oberflächen und verlangsamen so den Wärmetransport.
Durch das Ausfüllen von Zwischenräumen verbessern diese Substanzen den Oberflächenkontakt und ermöglichen eine gleichmäßige Wärmeverteilung. Einige Systeme verwenden zudem Verguss- und Verkapselungsmaterialien, um sowohl die Wärmeableitung als auch den Umweltschutz zu gewährleisten.
Warum ist Wärmemanagement wichtig?
In Batterien von Elektroautos, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, entsteht beim Laden, Entladen und der Energieabgabe überschüssige Wärme. Diese Wärme erzeugt eine Temperaturdifferenz und einen Temperaturgradienten innerhalb des Akkus. Werden Wärmeübertragung und Wärmefluss innerhalb der Batterien nicht kontrolliert und berücksichtigt, kann dies folgende Folgen haben:
- Steigerung Wärmewiderstand
- Störung des stationären Betriebs
- Verursacht Batteriealterung
- beeinflusst die Lebensdauer jeder neuen Batterie
Deshalb ist bei Batterien für Elektroautos die Kontrolle von Wärmewiderstand, Wärmeleitfähigkeit und Wärmestrom von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit industrieller EV-Batterien.
Mit fortschreitender Technologie setzen Ingenieure wie Sie Materialien mit konstanter oder variabler Wärmeleitfähigkeit ein, die sich an die jeweiligen Designanforderungen anpassen und optimal mit Wärmeleitpads, Konvektion und Kühlsystemen interagieren. Ein adäquates Wärmemanagement gewährleistet letztendlich eine stabile Energieversorgung, zuverlässige Leistung und ein langfristig leistungsfähiges System, das auch anspruchsvollen Anwendungen in Elektrofahrzeugen gerecht wird.
Die 5 besten Wärmeleitmaterialien für industrielle Elektrofahrzeuge
Im folgenden Abschnitt erfahren Sie mehr über die wichtigsten Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die häufig in industriellen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.
Wärmeleitpasten
Wärmeleitpasten (oft auch als Wärmeleitfett bezeichnet) sind weit verbreitete, einfach anzuwendende und kostengünstige Wärmeleitmaterialien. Sie zeichnen sich in der Regel durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aus. Wärmeleitpasten eignen sich ideal für Batteriesysteme in Elektrofahrzeugen. Auf dem Markt finden Sie verschiedene Wärmeleitpasten. Bekannte Varianten basieren auf Silikon, Metall oder Keramik.
Wärmeleitpasten auf Silikonbasis
Im Vergleich zu allen Arten von Wärmeleitpasten ist silikonbasierte Wärmeleitpaste die am weitesten verbreitete. Sie bietet nicht nur eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, sondern ist auch über einen weiten Temperaturbereich – von niedrigen Temperaturen bis hin zu extremen Betriebsbedingungen – sehr flexibel. Für die Wärmeableitung in Batterien von Elektroautos und Leistungselektronik sind silikonbasierte Wärmeleitpasten die ideale Wahl.
Wärmeleitpads
Wärmeleitpads (auch Wärmeleitpasten genannt) sind feste, formbare Materialien. Wie andere Wärmeleitmaterialien reduzieren sie den Wärmewiderstand und leiten Wärme effizient zwischen Bauteilen ab. Ihre Anwendung ist sehr einfach, weshalb sie in der industriellen Fertigung von Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind. Auf dem Markt sind verschiedene Arten von Wärmeleitpads erhältlich. Gängige Typen sind Silikon-, Keramik- und Graphitpads.
Thermisches Gel
Unter den Wärmeleitmitteln (TIMs) stellen Wärmeleitgele eine ideale Lösung für industrielle Elektrofahrzeug-Akkus dar. Sie lassen sich sehr einfach auftragen und sind langlebig, da sie im Vergleich zu Wärmeleitpasten nicht so schnell austrocknen. Dank ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und niedrigen elektrischen Leitfähigkeit verteilen sich die Gele unter Druck gleichmäßig und gewährleisten so einen gleichmäßigen Wärmefluss an den Batterieschnittstellen. Sie eignen sich ideal für Lithium-Ionen-Akkusysteme mit komplexen Geometrien und tragen dazu bei, Temperaturunterschiede zu kontrollieren, die Bildung von Hotspots zu reduzieren und die Batteriealterung im Dauerbetrieb zu minimieren.
Thermischer Vergusskleber
Thermischer Vergusskleber erfüllt einen doppelten Zweck: Er verbessert die Wärmeübertragung und bietet mechanischen Schutz. Nach dem Aushärten füllt er die Luftspalte und bildet eine feste Verbindung mit der Bauteiloberfläche. Dadurch leitet er Wärme effektiv und schützt die Bauteile gleichzeitig vor Feuchtigkeit, Vibrationen und Umwelteinflüssen.
Obwohl wärmeleitender Vergusskleber eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, bietet er eine hohe Langzeitbeständigkeit. Er kann auch zur Wärmeregulierung in geschlossenen Batteriesystemen eingesetzt werden, wo Isolierung, strukturelle Unterstützung und kontrollierter Wärmefluss erforderlich sind.
Wie verbessert Gel mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Leistung von Elektroauto-Batterien?
Wärmeleitgel ist im Grunde ein weiches, flüssiges Wärmeleit- und Wärmeübertragungsmaterial. Wie viele andere Wärmeleitmaterialien wird es auch häufig zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeaustauschs zwischen wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten und Kühlelementen in Batteriesystemen eingesetzt.
Bei der Anwendung trägt es zur Stabilisierung des Wärmestroms pro Flächen- und Zeiteinheit bei. Das Gel sorgt außerdem für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und verhindert plötzliche Temperaturänderungen, die auftreten können, wenn sich Wärme aufbaut und dann abrupt abnimmt.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Fähigkeit des Gels, auch unter wechselndem Druck, Vibrationen und Bauteilausdehnung eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit beizubehalten. Durch die kontinuierliche Verbesserung der Wärmeleitung und die Unterstützung einer effizienten Interaktion mit Kühlkörpern, Konvektion und Kühlsystemen trägt das Gel direkt zu einer besseren Leistung und längeren Batterielebensdauer bei.
Eine effektive Wärmeregulierung verringert somit das Risiko der Batteriealterung, schützt die neue Batterie und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb in modernen Elektrofahrzeugen und industriellen Elektroautos.
Fallstudie: Lehren aus industriellen Batterieprojekten für Elektrofahrzeuge
Herausforderung:
Alle Kunden, die sich aus den unterschiedlichsten Branchen an uns wandten, standen vor derselben Herausforderung: ungleichmäßige Temperaturverteilung im Inneren der Elektrofahrzeugbatterie und vorzeitiger Batterieverschleiß bei langen Betriebszyklen in heißen Umgebungen.
Was wir gefunden haben:
- Hoher Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen
- Ungleichmäßiger Wärmefluss aufgrund von Luftspalten
- Thermische Lösung verliert unter Vibration den Kontakt
Ursache:
- Geringe Anpassungsfähigkeit des Wärmeleitmaterials an komplexe Batteriegeometrien.
Lösung:
Wir empfahlen ihnen ein Gel mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um eine gleichmäßige Wärmeleitung und einen stabilen Wärmekontakt unter Druck und Vibrationen zu gewährleisten. Basierend auf dem Projekt schlugen wir ihnen außerdem weitere Lösungen vor, darunter Wärmeleitpaste und Wärmeleitpads.
Ergebnis:
- Reduzierte Hotspot-Bildung
- Gleichbleibende Leitfähigkeit unter hohen Belastungsbedingungen
- Kontrollierte BLT und Wärmewiderstand
- Längere Akkulaufzeit und verbesserte Zuverlässigkeit
Was Ingenieure bei der Materialauswahl beachten sollten
Nach einem detaillierten Überblick über Wärmeleitmaterialien geht es im nächsten Schritt darum, das richtige Wärmeleitmaterial für industrielle Elektrofahrzeugbatterien auszuwählen. Hier besteht bei den meisten Elektrofahrzeugherstellern und selbst Ingenieuren Wissenslücken. Deshalb haben wir in diesem Abschnitt alle wichtigen Punkte zusammengefasst, die Sie als Hersteller berücksichtigen sollten.
Zunächst sollten immer die thermischen Eigenschaften des Materials beurteilt werden. Typischerweise geht es dabei um die Wärmeleitfähigkeit eines Materials und darum, wie ein Material Wärme leitet und Wärmeenergie abführt.
Als Nächstes müssen Sie berücksichtigen, wie das Material im Laufe der Zeit thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. In industriellen Elektrofahrzeugen sind die Materialien wiederholten Heiz- und Kühlzyklen, Vibrationen und Druck ausgesetzt. Wenn ein Material unter diesen Bedingungen degeneriert oder den Kontakt verliert, sinkt natürlich auch die Wärmeübertragungseffizienz, was Sicherheitsrisiken birgt. Daher müssen Sie auch die Kompatibilität des Materials mit dem Kühlkörper und den umgebenden Strukturen berücksichtigen.
Schließlich sollten Sie auch Faktoren wie Langlebigkeit, Umweltbeständigkeit und Langzeitstabilität berücksichtigen. Sie müssen sicherstellen, dass Sie ein Material wählen, das seine thermischen Eigenschaften über den gesamten erwarteten Betriebsbereich beibehält und die Wärmeenergie kontinuierlich ableitet.
Wo erhält man hochwertige Wärmeleitmaterialien?
Jiujutech ist ein renommierter und führender Hersteller von Wärmeleitmaterialien. Mit über 20 Jahren Erfahrung in der Wärmeleittechnikbranche verfügt Jiuju über eine starke Marktposition. Unser Unternehmen ist mit modernsten Maschinen ausgestattet, beschäftigt ein erfahrenes Team von Materialwissenschaftlern, besitzt internationale Zertifizierungen (ISO 9001, ISO 14001, UL und IATF 16949) und bietet einen aktiven Kundenservice rund um die Uhr.
Alle unsere Wärmeleitmaterialien, wie Wärmeleitpads , Wärmeleitgel , Wärmeleitpaste , Wärmeleitklebeband und Wärmeleitkleber , bieten eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1.2–50 W/m·K und haben eine Lebensdauer von über 5 Jahren. Sie eignen sich ideal für den Einsatz in verschiedenen Branchen, darunter die Elektromobilität und die Bauindustrie.
Darüber hinaus bietet unser Team auch Materialanpassungen für Unternehmen verschiedenster Branchen an. Bei Jiuju erhalten Sie Materialien zu Großhandelspreisen mit einer einjährigen Garantie. Wir bieten unseren Kunden außerdem technischen Support während des gesamten Produktlebenszyklus.
Warum Sie diesem Leitfaden vertrauen sollten
Dieser Leitfaden basiert auf praktischer Ingenieurserfahrung bei Jiu Ju Tech. Seit 2002 entwickelt und testet unser Team eine breite Palette von Wärmeleitmaterialien unter realen Produktions- und Laborbedingungen. Alle hier enthaltenen Erkenntnisse stammen aus der praktischen Anwendung, nicht aus Theorie oder kopierten Quellen.
Wenn Sie die passende Wärmelösung für Ihre Elektrofahrzeuganwendung suchen und sich nicht sicher sind, welches Material Sie wählen sollen, kontaktieren Sie noch heute unsere Experten, um eine maßgeschneiderte Beratung zu erhalten.
