Designoptimierung eines Mehrfach-Kühlplatten-Batterie-Wärmemanagementsystems zur Minimierung von Temperaturdifferenzen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Kühlplatten

Warum kühlere Batterien für Alltagsfahrer wichtig sind

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen beeinflusst das, was leise in ihren Batteriepaketen passiert, maßgeblich Reichweite, Lebensdauer der Batterien und ihre Sicherheit. Diese Studie untersucht, wie Hunderte dicht gepackter Lithium‑Ionen‑Zellen nahezu auf derselben Temperatur gehalten werden können, indem raffiniert gestaltete Metallplatten mit Kühlflüssigkeit verwendet werden. Durch ein Umdenken darin, wie diese Platten Kühlmittel teilen, zeigen die Forscher, dass kleine Designanpassungen die Temperaturgleichmäßigkeit merklich verbessern können, ohne mehr Energie zu verbrauchen.

Verborgene Wärme in den Batterien von Elektroautos

Moderne Elektroautos bauen auf großen Packs aus vielen einzelnen Lithium‑Ionen‑Zellen. Beim Laden und Entladen erzeugen diese Zellen Wärme. Wenn einige Zellen heißer laufen als andere, altern sie schneller, liefern möglicherweise weniger Leistung und können in Extremfällen unsicher werden. Automobilhersteller streben daher an, die Zelltemperaturen in einem sicheren Bereich zu halten und ebenso wichtig die Unterschiede zwischen den heißesten und kühlsten Zellen klein zu halten – idealerweise innerhalb weniger Grad.

Wie Kühlplatten die Packs im Griff behalten

Viele Elektrofahrzeuge nutzen eine indirekte Flüssigkeitskühlung: flache Metallplatten liegen unter Stapeln von Batteriezellen, und Kühlmittel fließt durch Kanäle in den Platten. Im hier untersuchten Pack liegen fünf lange Kühlplatten unter fünf Modulen prismatischer Zellen. Alle Platten teilen sich einen einzigen Kühlmittelein- und -auslass, sodass die Flüssigkeit an einer Seite eintritt, sich auf die Platten aufteilt und dann wieder zusammenfließt. Frühere Untersuchungen gingen oft davon aus, dass jede Platte denselben Durchfluss erhält und unabhängig arbeitet. In Wirklichkeit sind die Platten hydraulisch gekoppelt, und das Kühlmittel bevorzugt naturgemäß einige Wege gegenüber anderen.

Ungleichmäßiger Durchfluss, ungleichmäßige Temperaturen

Mithilfe detaillierter Computersimulationen von Strömung und Wärmeübertragung untersuchten die Autoren zunächst das ursprüngliche Design, bei dem alle Platten identische Kanalbreiten hatten. Sie fanden heraus, dass das Kühlmittel den einfachsten Weg nahm: Platten nahe dem Ein- und Auslass erhielten den Großteil des Durchflusses, während die entlegenste Platte sehr wenig abbekam. Die gut versorgten Platten führten Wärme effektiv ab, aber Zellen über der schlecht versorgten Platte wurden wärmer. Innerhalb jeder Platte erwärmte sich das Kühlmittel außerdem beim Durchfluss, sodass Zellen nahe dem stromabwärts gelegenen Ende etwas heißer liefen als die nahe dem Einlass. Über das gesamte Pack mit 75 Zellen erreichte die Temperaturdifferenz zwischen heißester und kühlster Zelle fast 4 Kelvin, obwohl die Maximaltemperatur im akzeptablen Bereich blieb.

Schlaue Abstimmung statt größerer Pumpen

Anstatt mehr Pumpen, weitere Einlässe oder sperrige Hardware hinzuzufügen – was in einem realen Fahrzeug oft unmöglich ist – behandelte das Team die Durchflusskanäle selbst als verstellbare Stellgrößen. Sie erlaubten, dass die Kanalbreite jeder Platte unabhängig variiert und dass die Kanäle sich vom Einlass zum Auslass verjüngen. Ein kleinerer Kanal erhöht den Strömungswiderstand und lenkt das Kühlmittel sanft zu anderen Platten; ein sich verjüngender Kanal beschleunigt die Flüssigkeit nahe dem Auslass und verbessert dort die Wärmeabfuhr. Weil vollständige Simulationen für jede mögliche Kombination zu zeitaufwendig wären, bauten die Forscher ein schnelles mathematisches Ersatzmodell ihres Simulators und verwendeten einen evolutionären Optimierungsalgorithmus, um die beste Kombination aus Abmessungen und Gesamtflussrate zu finden.

Ein gleichmäßigeres Pack ohne zusätzliche Energie

Das optimierte Design erzeugte eine ausgeglichenere Kühlmittelverteilung über alle fünf Platten. Die Platten in der Nähe von Ein‑ und Auslass erhielten schmalere Kanäle, was ihren Widerstand erhöhte und mehr Durchfluss durch die zuvor vernachlässigte entlegene Platte förderte. Gleichzeitig waren die Kanäle so geformt, dass sie sich entlang des Strömungswegs allmählich verengten, wodurch die Kühlung nahe den Auslässen verbessert und Temperaturgradienten innerhalb jedes Moduls reduziert wurden. Während sich Durchfluss und Oberfläche gegenüberstanden, glich sich der Netto‑Wärmeabfluss jeder Platte an. Das Ergebnis war ein deutlicher Rückgang der Zell‑zu‑Zell‑Temperaturspreizung des Packs – von etwa 3,98 auf 1,73 Kelvin – bei leicht verringerter Spitzentemperatur und praktisch unverändertem Pumpenaufwand.

Was das für zukünftige Elektroautos bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernbotschaft, dass intelligentere Geometrie manchmal schwerere Hardware ersetzen kann. Durch sorgfältiges Abstimmen der Größe und Form von Kühlmittelkanälen können Ingenieure die Flüssigkeit dorthin lenken, wo sie am meisten gebraucht wird, und so die Temperaturen in großen Batteriepaketen angleichen. Das erleichtert es, jede Zelle in einem angenehmen Temperaturbereich zu halten, was wiederum längere Batterielebensdauer, konstante Leistung und verbesserte Sicherheit unterstützt – ganz ohne zusätzlichen Energiebedarf der Fahrzeugpumpen.

Zitation: Lee, H., Park, S., Park, C. et al. Design optimization of multiple cooling plate battery thermal management system for minimizing temperature difference considering interactions between cooling plates. Sci Rep 16, 14063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41068-3

Schlüsselwörter: Elektrofahrzeugbatterien, Batteriekühlung, Wärmemanagement, Flüssigkeitskühlplatten, Lithium-Ionen-Packs