Einführung
Automobilhersteller haben festgestellt, dass das Laden und Entladen von Elektrofahrzeugbatterien erhebliche Wärmemengen erzeugt. Ein effektives Wärmemanagement ist daher für die Temperaturkontrolle der Batteriezellen von entscheidender Bedeutung. Häufig führen mangelhafte Kontakte oder ungleichmäßige Kühlung innerhalb der Akkupacks zur Bildung von Hotspots, welche die Lebensdauer der Batterie verkürzen und in Extremfällen sogar zu einem thermischen Durchgehen führen können. Die Effizienz, Sicherheit und Langlebigkeit des Akkupacks hängen somit maßgeblich von einem effektiven Wärmemanagement in den Zellen ab.
Daher bietet dieser Artikel einen detaillierten Vergleich zwischen Wärmeleitpads und Wärmeleitgelen, um die Auswahl des richtigen Wärmeleitmaterials für Produktdesign und -produktion zu erleichtern.
EV-Batterien
Eine Elektrofahrzeugbatterie ist ein wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akku, der für den Betrieb schwerer Geräte mit hohem Leistungsgewicht und hoher Energiedichte ausgelegt ist. EV-Batterien liefern die Antriebsenergie für den Elektromotor eines batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV) oder eines Hybridfahrzeugs (HEV).
Untersuchungen zeigen, dass Spaltfüller die Wärmeübertragung zwischen den Zellen gleichmäßiger gestalten. Batteriemodule mit hochelastischen Spaltfüllern weisen im Vergleich zu Modulen ohne effektive Spaltfüller eine gleichmäßigere Temperaturverteilung von etwa ±2 °C, 15–20 % langsamere Temperaturanstiegsraten (unter extremen Bedingungen mit minimaler Wärmeübertragung), einen geringeren Wärmewiderstand in den Grenzflächenmaterialien und eine um etwa 30–50 % längere Zyklenlebensdauer auf. Diese experimentellen Ergebnisse wurden unter wiederholten Lade- und Entladezyklen von Elektrofahrzeugbatterien erzielt.
Durch die richtige Auswahl von Materialien (Wärmeleitpads oder Wärmeleitgele) kann die Wärmeableitung und der Wärmeaustausch zwischen den Zellen des Akkus und den Kühlanschlüssen verbessert werden.
Batteriepacks
Batteriepacks sind Energiespeichersysteme (ESS) und entscheidende Komponenten von Elektrofahrzeugen. Sie dienen als primärer Energiespeicher für das gesamte System und gewährleisten so dessen optimale Leistung. Die Energie wird in verschiedenen zylindrischen Zellen gespeichert, die im Batteriepack miteinander verbunden sind (siehe Abbildung unten). Die Packs bestehen aus mehreren Zellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind und eine Hochvoltbatterie bilden. Diese wandelt die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Die Technologie dieser Energiespeicher hat maßgeblich dazu beigetragen, herkömmliche Verbrennungsmotoren durch batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) zu ersetzen.
Der Einsatz von Wärmeleitmaterialien (TIMs) ist in Elektrofahrzeugbatterien unerlässlich, um die thermischen Anforderungen nicht zu überschreiten und so optimale Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Diese Materialien verhindern eine Überhitzung der Komponenten und des Kühlsystems, die die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen könnte. Dies ist entscheidend für die Langlebigkeit und Effizienz des Batteriepacks.
Bei der Batterieherstellung werden mikroskopisch kleine Luftspalte erzeugt, um das sogenannte „Atmen“ und Quellen der Zellen zu ermöglichen. Diese Eigenschaften beeinflussen die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Zellen. Das „Atmen“ beschreibt die Veränderungen zwischen den aktiven Komponenten von Anode und Kathode, die zu internen mechanischen Spannungen innerhalb der Zelle führen und somit die Notwendigkeit verbesserter thermischer Kontakte unterstreichen. Das Quellen ist eine fortschreitende Zunahme der Dicke aufgrund von alterungsbedingten Nebenreaktionen wie dem Wachstum der Passivierungsschicht und der Lithiumplattierung. Dies erhöht die Eigenspannung der Zelle. Diese Phänomene treten häufig bei Lithium-Ionen-Batterien auf.
Thermische Schnittstellenmaterialien sind so konzipiert, dass sie diese mikroskopischen Luftspalte durch Füllen der Hohlräume kontrollieren und dadurch einen effizienten Wärmefluss zwischen festen Oberflächen und anderen Materialien ermöglichen.
Thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs), ihre Funktionen und Eigenschaften
Wärmeleitmaterialien sind Materialien, die zwischen zwei festen Oberflächen platziert werden. In Elektrofahrzeugbatterien befinden sich diese Materialien üblicherweise zwischen der Außenfläche der Batteriezelle und der Kühlplatte im Inneren der Batterie. Dies dient der Reduzierung des thermischen Grenzflächenwiderstands durch das Füllen makroskopischer und mikroskopischer Spalten.
Zwischen zwei Oberflächen entstehen Spalten aufgrund von Fertigungstoleranzen bei Zelle, Kühlplatte und Baugruppe. Weitere Faktoren, die Spalten verursachen, sind Oberflächenrauheit, Zellquellung während des Lade- und Entladezyklus sowie Verformung der Kühlplatte. In Elektrofahrzeug-Batteriesystemen verbinden Wärmeleitmaterialien unebene Oberflächen, um die Wärmeverteilung von den Zellen zu den Kühlbaugruppen und passiven Wärmeverteilern zu verbessern. Diese Materialien kommen als leitfähige Pads, Gele (flüssige oder halbfeste Spaltfüller), Klebstoffe, Phasenwechselmaterialien oder Fette zum Einsatz.
Elektromagnetische Störungen werden in Batteriemanagementsystemen auf ein geringes Maß reduziert, wenn leitfähige Gehäuse, spezielle Beschichtungen und eine strategische Platzierung der Komponenten als Lösung zur Minimierung der EMI-Emissionen und -Empfindlichkeit eingesetzt werden.
Ein praktikables Wärmeleitmaterial wird durch wenige Eigenschaften definiert. Zu diesen Eigenschaften gehören die folgenden:
- dass die Materialien eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollten
- einfach anzuwenden,
- über einen langen Zeitraum stabil,
- weisen eine hohe Beständigkeit gegenüber Gasen und Chemikalien auf
- und bestehen aus nicht brennbarem Material.
Was sind Wärmeleitpads und Wärmeleitgele?
Wärmeleitpads und -gele sind wärmeleitende Materialien, die häufig zum Füllen winziger Spalten zwischen einer Komponente und einem Kühlkörper verwendet werden, um eine effektive Wärmeübertragung zu gewährleisten.
Wie bereits erwähnt, füllen Wärmeleitpasten mikroskopisch kleine Luftspalte zwischen Wärmequellen und Kühlstrukturen. Da Luft eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, können bereits kleine Hohlräume den Wärmewiderstand erheblich erhöhen. Weiche und anpassungsfähige Pads gewährleisten einen dichten Kontakt und verbessern die Wärmeübertragungseffizienz.
Thermische Pads
Wärmeleitpads sind feste, intrinsische Materialien, die aus einer Silikonbasis mit Füllstoffen hoher Wärmeleitfähigkeit wie Keramik und Metallpartikeln bestehen. Sie sind auf etwa 10–50 % ihrer ursprünglichen Dicke komprimierbar und werden aufgrund ihrer Dicke häufig verwendet, um vorhersehbare Spalten zwischen Bauteilen und Kühlkörpern zu überbrücken. Durch die Komprimierung wird die Bildung von Lufteinschlüssen im entstehenden Wärmekontakt reduziert. Ein weiterer Grund für die Komprimierung ist der Ausgleich von Fertigungstoleranzen und mechanischen Spannungen am Bauteil.
Pads lassen sich einfach installieren (z. B. durch Bestückung), da sie aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen und eine gute elektrische Isolation bieten, wodurch Kurzschlüsse in elektronischen Baugruppen vermieden werden. Sie werden häufig in der automatisierten Fertigung eingesetzt und sind effizient im Wärmemanagement und der Wärmeableitung.
Wärmeleitpaste
Wärmeleitpasten oder -gele werden auch als flüssige Spaltfüller oder Wärmeleitgele bezeichnet. Wärmeleitgele sind anpassungsfähig und weicher, da sie fließfähig oder pastenartig sind. Nach dem Auftragen bleiben sie weich und passen sich den Oberflächen optimal an. Sie benetzen Oberflächen effizient, füllen Mikro-Unebenheiten und passen sich unterschiedlichen Spalten an. Dadurch werden mikroskopische Lufteinschlüsse reduziert, die den Wärmewiderstand erhöhen. Es gibt leichthärtende und nichthärtende Silikone. Generell eignen sie sich gut zur Wärmeableitung.
Lückenfüller
Studien belegen, dass Füllmaterialien im Vergleich zu Kühlpads die Wärmebeständigkeit deutlich verbessern, da sie sich optimal an Oberflächenrauheiten anpassen. Die Füllmaterialien in EV-Batterien bestehen aus vier Modulen. Dazu gehören zwei Wasserplatten an der Ober- und Unterseite des Moduls, wobei das Füllmaterial die Kühlkontakte von den Pouchzellen und dem Gehäuse trennt.
Hohlraumfüller sind aus mehreren Gründen für das Energiemanagement heißer Körper von entscheidender Bedeutung: Sie verbessern die elektrische Isolation, sorgen für Vibrationsdämpfung und haben die Fähigkeit, die Kühlung zwischen den Zellen und den Kontakten zu verbessern.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit eines typischen Wärmeleitgels liegt zwischen 2.0 W/m·K und 4.5 W/m·K. Damit positioniert sich das Gel hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit zwischen Standard-Wärmeleitpads und Premium-Wärmeleitpaste. Labortests bestätigten, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitgelen in realen Anwendungen vollständig von der jeweiligen Oberfläche abhängt. Mathematisch ergibt sich die effektive Wärmeleistung aus der Formel: Effektive Wärmeleistung = Wärmeleitfähigkeit × Dicke ÷ Kontaktwärmewiderstand. Daher bieten Gele bei kleinen Hohlräumen (z. B. < 0.3 mm) eine bessere Lösung für hohe Kompression und optimale Oberflächenpassung. Bei größeren Hohlräumen sind Pads aufgrund ihrer besseren Stabilität möglicherweise die bessere Wahl. Gele neigen jedoch zu Austrocknungs- oder Pumpproblemen. Die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpads liegt je nach Material und Qualität zwischen 1 und 20 W/m·K.
Gute Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit wird üblicherweise in Watt pro Meter und Kelvin (W/m·K) gemessen. Verschiedene Parameter bestimmen die Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Wie bereits erwähnt, können diese Materialien in Form von Pads, Gelen oder Pasten vorliegen. Ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, das in der Elektronikkühlung eingesetzt wird, weist typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit von über 3 W/m·K auf.
Wärmeleitpads vs. Wärmeleitgele
| Funktion | Thermisches Gel | Wärmeleitpad |
|---|---|---|
| Anwendungsstil | Thermoplastische Gelfüller werden direkt auf die Oberfläche aufgetragen und erfordern eine präzise Dosierung, typischerweise mithilfe einer automatischen Dosieranlage. Sie sind widerstandsfähiger und trocknen weniger schnell aus als beispielsweise silikonfreie Spaltfüller wie Fette. | Die Wärmeleitpads werden direkt platziert, ohne dass eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich ist, da sie bereits auf die gewünschte Größe zugeschnitten sind, was die Handhabung in bestimmten Anwendungen erleichtert. |
| Aushärtungs- oder Verfestigungsverfahren | Die Aushärtungsprozesse benötigen viel Zeit, da sie die Anwendung von Hitze oder Druck erfordern. Wärmeleitpasten und -gele müssen aushärten, um eine optimale Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, da dieses Verfahren nur für Dichtstoffe wie RTV und Silikonvergussmassen geeignet ist. Die meisten Wärmeleitpasten und -gele sind jedoch nicht fest. | Wärmeleitpads werden für den sofortigen Einsatz hergestellt. Daher müssen sie nicht getrocknet werden, da ihre Anwendung in den Montageprozessen einfach ist. |
| Wärmeleitfähigkeit | Da Wärmegele die Fähigkeit besitzen, mikroskopisch kleine Lufteinschlüsse zu füllen, bieten sie eine überlegene Wärmeleitfähigkeit und damit eine bessere Temperaturregulierung. | Wärmeleitpads hingegen weisen eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf, was die Temperaturregulierung erschwert. Sie werden jedoch in anderen Anwendungen des Wärmemanagements effektiv eingesetzt. |
| Kostenbetrachtung | Die Materialauswahl ist einer der kostenbestimmenden Parameter. Weitere Parameter sind Installation, Anwendungszeit und Langzeitstabilität. Betrachtet man die Kosten pro Einheit, sind Wärmeleitgele oder -pasten aufgrund ihrer langen Lebensdauer von etwa 7–10 Jahren teurer. Diese Eigenschaft macht Gele in vielen Anwendungsbereichen wirtschaftlich. | Beim Vergleich von Wärmeleitpads und -gelen hinsichtlich der Kostenreduzierung sind Pads in der Anwendung günstiger als Gele. |
Missverständnis zwischen Wärmeleitpads und Wärmeleitgelen
In der Fachliteratur finden sich einige Missverständnisse, die die technischen Fakten über Wärmeleitpads und Wärmeleitgele infrage stellen. Diese Missverständnisse werden im Folgenden aufgezeigt und erläutert.
wärmeleitende Klebstoffeigenschaften
In der Literatur wird häufig behauptet, Wärmeleitpasten würden nach dem Aushärten eine sehr starke Verbindung herstellen, die ein Ablösen unter thermischer Belastung oder Vibrationen erschwere. Diese Aussage ist jedoch ein weit verbreiteter Irrtum und sollte nicht unkritisch übernommen werden. Pasten/Gele besitzen keine feste Struktur und bieten keine starke Verbindung. Vibrationen in Wärmeleitpads entstehen durch die Konstruktion, die Kompressionskräfte und die Verpackungsmethode. Im Gegensatz zu Gelen sind die meisten Wärmeleitpads daher nicht klebend und lassen sich leicht austauschen. Einige Wärmeleitpads verfügen zwar über eine Dichtung, diese schwächt sich jedoch mit der Zeit durch extreme Hitzeeinwirkung ab, ihre Wärmeleitfähigkeit bleibt aber erhalten.
Die Klassifizierung von Wärmeleitfähigkeitsklassen ist ein falscher Standard
In der Literatur wird angeführt, dass es allgemeine Regeln für die Elektronikkühlung gibt, wonach Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit unter 1 W/m·K als schlecht gelten. Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 1 und 3 W/m·K werden als ausreichend, 3–6 W/m·K als gut, 6–10 W/m·K als sehr gut und über 10 W/m·K als exzellent eingestuft. Allerdings existiert keine anerkannte technische Norm mit einer solchen Klassifizierung. Die Wärmeleitfähigkeit hängt stark von der Dicke und den Kompressionsbedingungen an den Grenzflächen ab. Diese Klassifizierung ist eher marketingorientiert als ingenieurtechnisch fundiert.
Geschwindigkeit bei der Wärmeabfuhr
Wärme wird durch Wärmeleitung von einer heißen auf eine kalte, miteinander in Kontakt stehende Oberfläche übertragen. Die Wärmeübertragung von diesen heißen Oberflächen auf Pads und Gele erfolgt über den stationären thermischen Grenzflächenwiderstand (ΔT). Daher ist die Annahme, dass Pads Wärme schneller abführen, ein Irrtum, da es kein solches Konzept gibt, dass Pads Wärme schneller und Gele Wärme langsamer leiten.
Leistungsfaktoren im Vergleich von Wärmeleitpads und Wärmeleitgelen
Fähigkeit zum Füllen von Lücken
Wärmeleitpasten eignen sich hervorragend zum Ausfüllen unregelmäßiger, unebener und rauer Oberflächen zwischen Wärmequellen und -senken. Sie fließen in die mikroskopisch kleinen Hohlräume und sorgen so für optimalen Wärmekontakt. Wärmeleitpads hingegen sind vorgeformt und können stark unebene Oberflächen nur bedingt ausfüllen.
Benutzerfreundlich
Wärmeleitpasten oder -gele erfordern präzises Mischen und Auftragen, sind aber potenziell komplexer. Wärmeleitpads hingegen sind einfach anzuwenden und eignen sich aufgrund ihrer präzisen Applikation für die Massenproduktion.
Toleranz gegenüber unebenen Oberflächen
Wärmeleitpasten eignen sich hervorragend für raue Oberflächen. Wärmeleitpads hingegen zeigen auf rauen oder unebenen Oberflächen nur mäßige bis schlechte Ergebnisse.
Überarbeitbarkeit
Der Wartungsaufwand für die Wiederverwendung von Wärmeleitpasten ist sehr gering, während der Aufwand für die Wiederverwendung von Wärmeleitpads hoch ist. In manchen Fällen wird jedoch von der Wiederverwendung von Wärmeleitpads abgeraten, da diese bei der Installation komprimiert wurden und beim Entfernen leicht einreißen oder ihre Haftung verlieren können. Dies verändert ihre Form und Dicke und reduziert somit ihre Wärmeleistung.
Sauberkeit
Wird Wärmeleitpaste verwendet, sieht die Fläche nach der Benutzung unordentlich aus. Wird hingegen ein Wärmeleitpad verwendet, wirkt die Verpackung nach der Benutzung sauber und ordentlich.
Andere TIMs
Wärmeleitmaterialien (TIMs) regulieren die Temperatur in den Traktionspaketen, indem sie den Wärmeaustausch zwischen den Schlüsselkomponenten optimieren und so eine effiziente Wärmeableitung gewährleisten. Neben den bereits erwähnten Gelen und Pads gibt es weitere Wärmeleitmaterialien, die zum Wärmemanagement beitragen.
Klebebänder
Diese doppelseitigen Klebebänder verbinden Bauteile und ermöglichen so eine effiziente Wärmeübertragung bei gleichzeitiger dielektrischer Isolation und mechanischer Stabilität. Sie werden häufig zur Befestigung von Sensoren, Verteilern oder Heizelementen eingesetzt, da sie eine zusätzliche Befestigung überflüssig machen und somit einen stabilen Zustand gewährleisten.
Wärmebarrieren
Diese Barrieren dienen dem Schutz vor unkontrollierter Wärmeentwicklung. Einige Batteriepacks verwenden isolierende Barrieren wie Glimmerplatten, Keramikfasern oder Aerogelmatten zwischen den Zellgruppen, um die Wärmeausbreitung bei Fehlern zu verlangsamen. Diese Barrieren leiten die Wärmeenergie zu den Kühlkanälen und verhindern so einen unerwünschten Wärmeaustausch zwischen den Zellen.
Pasten und Fette
Diese Materialien füllen mikroskopisch kleine Lufteinschlüsse zwischen eng aneinanderliegenden Oberflächen wie Zellen und Kühlplatten. Es handelt sich um viskose Verbindungen, die den Grenzflächenkontakt verbessern und so die Wärmeübertragung in kompakten Strukturen effektiv erhöhen.
Flexible Graphitplatten
Diese Bleche gewährleisten eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch Wärmeisolierung zwischen benachbarten Bauteilen. Sie verhindern übermäßige Wärmeentwicklung bei Schnellladung oder unter anormalen Betriebsbedingungen. Zudem gleichen sie herstellungsbedingte Toleranzen aus und sorgen für gleichmäßige Kühlwege.
Obwohl sie in einigen Anwendungen noch verwendet werden, ersetzen flüssigkeitsdosierte Füllstoffe zunehmend die Pads in der Massenproduktion von Elektrofahrzeugen.
Ergebnisse aus Studien zu Wärmegelen und Wärmeleitpads
Die meisten Studien zu Wärmeleitmaterialien (z. B. Wärmeleitgelen und Wärmeleitpads) haben gezeigt, dass Wärmeleitgele eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Wärmeleitpads aufweisen, obwohl beide eine vergleichbare Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wärmeleitgele passen sich jedoch perfekt der Oberflächenrauheit im Mikrobereich an und reduzieren dadurch den thermischen Grenzflächenwiderstand, was den Wärmetransport erleichtert.
Darüber hinaus belegte das von Lord Cooperation veröffentlichte Whitepaper , dass Gele im Vergleich zu Wärmeleitpads mit ähnlicher Wärmeleitfähigkeit eine größere Wärmemenge abführen und niedrigere Batterietemperaturen erzielen. Die Ergebnisse zeigten auch, dass Gele selbst bei simulierten Fertigungstoleranzen oder Lufteinschlüssen die Wärmeabfuhr von Pads übertreffen – ein weit verbreiteter Irrtum in der Technik. Wärmeleitpads hingegen verschlechtern sich mit zunehmenden Lufteinschlüssen stärker.
LiPoly , ein Hersteller von Wärmeleitmaterialien, berichtete, dass Wärmeleitgel seine hohe Leistungsfähigkeit über 7–10 Jahre beibehält. Dieser Bericht belegt, dass das Gel umfangreiche Alterungstests besteht, da es bei Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit nicht oxidiert. Dies trägt zur Beständigkeit gegen thermische Zersetzung bei und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch unter anspruchsvollen Bedingungen. Diese Stabilität ist entscheidend für ein effektives Wärmemanagement.
In realen Batteriebaugruppen ist die Anpassungsfähigkeit wichtiger als die Wärmeleitfähigkeit. Denn ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, aber geringer Oberflächenanpassungsfähigkeit, kann dennoch einen höheren effektiven Wärmewiderstand erzeugen als ein Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit, das die Oberflächen optimal benetzt.
Fazit
Die Wahl zwischen Wärmeleitgel und Wärmeleitpad hängt in der Regel von den Designvorgaben und Anwendungsanforderungen ab, beispielsweise der Wärmeleistung oder der Größe des zu überbrückenden Spalts. Wärmeleitgel passt sich gut an Oberflächen an, ist aber im Verbrauch teuer. Wärmeleitpads sind günstiger, haften jedoch nicht perfekt auf rauen Oberflächen; sie sind kostengünstig und eignen sich zudem hervorragend für andere Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Pads als auch Gel je nach Anwendung universell einsetzbar sind.
