Berechnung der Heizelementauswahl

a) Batterieheizelemente sind hauptsächlich in drei Formen erhältlich: Silikonheizelemente, PTC-Heizelemente und PI-Heizfolien. Der Entwurf der Heizelementgröße wird finalisiert, nachdem die Auswahl des geeigneten Materials basierend auf den Anforderungen an die Heizleistung, den Kosten, dem Gewicht und dem Platzbedarf getroffen wurde.

1) PTC-Heizelemente bestehen aus einem keramischen Heizelement und einer Aluminiumplatte, die typischerweise 5-8 mm dick und tragfähig ist. Normalerweise befinden sie sich an der Unterseite des Batteriemoduls, wie in Abbildung 1(a) dargestellt.

2) Silikon-Heizelemente bestehen aus einem Silikonkörper und einem Heizkern mit einer Dicke von ca. 1,2 mm. Sie werden normalerweise an der Seite des Moduls positioniert und können das Gewicht nicht tragen. Alternativ kann ein Silikonheizelement an der Basis des Moduls untergebracht werden, wie in Abbildung 1(b) dargestellt.

3) PI-Heizfolien bestehen aus einem Heizkern und einer PI-Folie, die typischerweise etwa 0,38 mm dick sind. Sie werden normalerweise an der Seite des Moduls positioniert und können das Gewicht nicht tragen. Darüber hinaus können sie, wenn ausreichend Platz vorhanden ist, auch am Boden des Moduls positioniert werden.

b) Berechnung der Heizleistung

Die Heizleistung des Heizelements wird nach folgender Formel ermittelt:

F = 60 × R × W

Dabei bezeichnet F die Heizleistung des Heizelements, W;

Die spezifische Wärmekapazität des Moduls wird mit R/(K ∙ K) bezeichnet.

Das Gewicht des Moduls in Kilogramm wird mit W bezeichnet.

60 bezieht sich auf die vom Kunden-geforderte Batterieheizrate, Grad/Grad.

In praktischen Anwendungen wird bei der Designauswahl unter Berücksichtigung von Faktoren wie der Wärmeleitung zwischen dem Modul und anderen Komponenten, der Wärmeableitung auf der anderen Seite des Heizelements und der Verringerung der Heizelementleistung aufgrund von Änderungen der Batteriesystemspannung ein zusätzlicher Spielraum von 20 % hinzugefügt. Die tatsächlich benötigte Heizleistung beträgt daher:

F₀ = F₀ × (1 + 20%)

c) Auswahl der Leistungsdichte

Da in praktischen Anwendungen die Batterien an beiden Enden des Moduls in direktem Kontakt mit der Endplatte stehen, erfolgt die Wärmeableitung über die Endplatte relativ schnell. Aufgrund der gefalteten Kante der Endisolationsplatte fehlen außerdem in einigen Bereichen der Batterie in der Nähe der Endplatte Heizelemente. Diese beiden Faktoren führen beim Aufheizen zu einem erhöhten Temperaturunterschied zwischen den Batterien an beiden Enden des Moduls und der Batterie in der Mitte des Moduls. Daher wird bei der eigentlichen Heizelementkonstruktion die Leistungsdichte des Heizelements näher am Modulende entsprechend erhöht.

PTC-Heizelemente verfügen über eine selbst-Temperaturregelung. Wie in Abbildung 2 dargestellt, erwärmt sich das keramische PTC-Element nach Anlegen der Spannung und die Innentemperatur steigt schnell an, wodurch der NTC-Effekt zum PTC-Effekt übergeht. Anschließend steigt der Widerstand mit steigender Temperatur stark an und erreicht schließlich ein Gleichgewicht zwischen Erwärmung und Wärmeableitung, wodurch eine automatische Temperaturregelung erreicht wird. Im Allgemeinen liegt die selbstgesteuerte Temperatur zwischen 60 und 80 Grad. Bei Verwendung mit einem Batteriemodul liegt die thermische Gleichgewichtstemperatur der Oberfläche des Heizelements bei Raumtemperatur typischerweise zwischen 20 und 40 Grad. Die Oberfläche des Heizelements glüht nicht rot und gibt keine offene Flamme ab, was Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet. Die üblicherweise verwendete Leistungsdichte für PTC-Heizelemente beträgt 0,5~0,6 K/K².

Silikonheizelemente und PI-Heizfolien haben andere Heizeigenschaften als PTC. Eine höhere Leistungsdichte führt zu höheren Trockenbrenntemperaturen, wie in Tabelle 1 gezeigt. Während die Heizleistungsanforderungen erfüllt werden, sollte die Leistungsdichte minimiert werden. Übliche Leistungsdichten für Silikonheizelemente und PI-Heizfolien liegen bei 0,25–0,4 K/K².

Nach Erhöhung der Leistungsdichte an beiden Enden des Heizelements muss die Gesamtheizleistung des Heizelements neu berechnet werden. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

𝑃𝐻0′ = 𝑃𝐻0 + 𝑃x

Wobei sich 𝑃𝑥 auf die Heizleistung der erhöhten Leistungsdichte an beiden Enden des Heizelements in W bezieht.

d) Heizelementspannung

Die PTC-Heizelemente sind innerhalb des Akkupacks parallel geschaltet, während die Silikon-Heizelemente und PI-Heizfolien in Reihe geschaltet sind. Bei der Heizelementspannung gibt es zwei Szenarien: Erstens wird die Heizspannung vom Batteriepack bereitgestellt. In diesem Fall stimmt die Spannung des PTC-Heizelements mit der Spannung der Batteriepackplattform überein, und der Spannungswert jedes Silikonheizelements und jeder PI-Heizfolie wird durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente bestimmt. Zweitens wird die Heizelementspannung von einem externen Ladegerät bereitgestellt. In diesem Fall stimmt die PTC-Spannung mit der Ladegerätspannung überein und der Spannungswert jedes Silikonheizelements und PI-Heizfilms wird durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente bestimmt.

e) Widerstand des Heizelements

Der Widerstand des Heizelements wird durch die berechnete Leistung und Spannung des Heizelements bestimmt, wie in der folgenden Formel dargestellt:

F = F^2/F0′

Wobei F sich auf die Spannung eines einzelnen Heizelements (V) bezieht;

F0‘ bezeichnet die Heizleistung eines einzelnen Heizelements (W).

f) Befestigungsdesign für Heizelemente: PTC-Heizelemente werden mit Schrauben an der Unterseite des Gehäuses befestigt, wodurch durch Wärmeleitpads oder Klebstoff ein enger Kontakt mit dem Modul gewährleistet wird. Silikon-Heizelemente und PI-Heizfolien werden normalerweise mit einseitigem Kleber an der Seite oder Unterseite des Moduls befestigt.

g) Befestigung des Heizkabelbaums: Der Kabelbaum wird im Allgemeinen an der Endplatte oder dem Gehäuse befestigt, typischerweise in einem Abstand von 150 mm bis 200 mm.