Der rasante Aufstieg von Elektrofahrzeugen (EVs) und Energiespeichersystemen (ESS) verändert die Art und Weise, wie die Industrie über Wärmemanagement denkt. Da die Energiedichte von Batterien immer weiter steigt, ist die Fähigkeit, die Temperatur präzise zu steuern, zu einem entscheidenden Faktor für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Batterien geworden.
Unter den verschiedenen Kühlmethoden haben sich Batteriekühlplatten aus Blech als eine führende Lösung für Hochleistungsakkus herauskristallisiert. Sie kombinieren eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, eine leichte Struktur und eine kostengünstige Skalierbarkeit.
In diesem Artikel wird untersucht, wie Blechkühlplatten für Batterien entwickelt, hergestellt und integriert werden - und warum sie für die nächste Generation von Batterieinnovationen entscheidend sind.
Was sind Batteriekühlbleche?
Eine Batteriekühlplatte ist ein präzisionsgefertigtes Metallteil, das die Wärme von den Batteriezellen ableitet und in ein fließendes Kühlmittel, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, abgibt. Sie fungiert sowohl als Wärmebrücke als auch als mechanische Stütze innerhalb des Akkupacks.
Die meisten Konstruktionen bestehen aus zwei dünnen Aluminium- oder Kupferblechen, in der Regel 1-3 mm dick, die verschweißt oder hartgelötet sind, um geschlossene Strömungskanäle zu bilden. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert durch diese Kanäle, nimmt die Wärme gleichmäßig von den Batteriezellen auf und hält das gesamte Paket innerhalb des optimalen Temperaturfensters - in der Regel zwischen 20 °C und 40 °C.
Kühlplatten spielen vier entscheidende Rollen:
- Gleichmäßige Temperatur aufrechterhalten über alle Zellen hinweg, um ein Ungleichgewicht zu verhindern.
- Verlängern Sie die Lebensdauer des Zyklus durch Vermeidung von thermischem Stress und Hotspots.
- Erhöhung der Leistungsabgabe bei Schnellladung oder starker Belastung.
- Verbesserung der SicherheitDadurch wird die Gefahr des thermischen Durchgehens verringert.
Zur Veranschaulichung ihrer Wirkung: Eine 1 mm dicke Aluminiumplatte überträgt die Wärme 20-mal schneller als Luft und sorgt so für eine sofortige und stabile Kühlung auch während des Schnellladens.
Die Rolle von Kühlplatten im Wärmemanagement von Batterien
Ein effizientes Design beginnt mit der Auswahl der richtigen Materialien und der internen Struktur. Die Kombination aus Metallart, Oberflächenbehandlung und Strömungskanalgeometrie bestimmt sowohl die Leistung als auch die Haltbarkeit einer Kühlplatte.
Wie die Wärme der Batterie erzeugt wird？
During operation, lithium-ion cells convert electrical energy into heat through ohmic resistance and electrochemical reactions. A typical 50 kWh EV pack running at a 2C discharge rate can generate 1.5–2 kW of heat continuously. If that heat isn’t dissipated, local temperatures can exceed 60 °C, causing electrolyte degradation, lithium plating, and irreversible capacity loss.
Die Blechkühlplatten sind so konzipiert, dass der Temperaturanstieg auch bei anhaltender Belastung unter 5 °C bleibt. Durch die Beibehaltung dieses engen thermischen Fensters können die Ingenieure die Lebensdauer der Akkus um bis zu 30 % verlängern, die Ausfallraten verringern und eine gleichbleibende Energieabgabe über Tausende von Zyklen hinweg gewährleisten.
Warum thermische Gleichmäßigkeit wichtig ist？
The real challenge isn’t just removing heat — it’s removing it evenly. Uneven temperatures across cells create performance drift and accelerate aging. Studies show that when the temperature variation in a module drops from ±5 °C to ±2 °C, the pack’s usable life can increase by nearly 25–30 %.
Uniform heat removal also improves charging stability and state-of-charge (SOC) accuracy, as the BMS relies on consistent thermal data to balance cells correctly. Thus, cooling plates aren’t just components — they are precision tools for energy balance.
Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung: Die Effizienzlücke
Air cooling is simple but limited. Air’s low thermal conductivity (≈0.026 W/m·K) restricts heat transfer, making it unsuitable for dense or high-power packs. In contrast, liquid cooling with water-glycol mixtures (≈0.6 W/m·K) offers over 20× greater efficiency, providing stable temperature control under fast-charging and continuous high-load conditions.
| Methode der Kühlung | Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) | Typischer Temperaturgradient (°C) | Ideale Anwendung |
|---|---|---|---|
| Luftkühlung | 0.026 | 10-20 | Systeme mit geringem Stromverbrauch oder Hybridsysteme |
| Flüssigkeitskühlung | 0.6 | 2-5 | EVs, ESS, Module mit hoher Dichte |
In den meisten modernen Elektrofahrzeugen sind flüssigkeitsgekühlte Blechplatten der Standard, da sie eine hohe Gleichmäßigkeit, Langlebigkeit und modulare Skalierbarkeit zu einem vernünftigen Preis bieten.
Der technische Vorteil von Kühlplatten aus Blech
Bleche bieten mehrere strukturelle und fertigungstechnische Vorteile:
- Leichte Konstruktion reduziert das Fahrzeuggewicht bei gleichbleibender Steifigkeit.
- Ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen verbessert die Wärmeübertragung.
- Flexible Gestaltungsmöglichkeiten ermöglichen ein schlangenförmiges, paralleles oder stiftförmiges Kanallayout.
- Skalierbare Produktion eignet sich sowohl für die Herstellung von Prototypen als auch für die Massenproduktion.
Werkstoffe und strukturelle Gestaltung von Kühlplatten aus Blech
Ein effizientes Design beginnt mit der Auswahl der richtigen Materialien und der internen Struktur. Die Kombination aus Metallart, Oberflächenbehandlung und Strömungskanalgeometrie bestimmt sowohl die Leistung als auch die Haltbarkeit einer Kühlplatte.
Verwendete Metalle
Die Wahl des Metalls entscheidet direkt darüber, wie effizient eine Kühlplatte Wärme überträgt und langfristigen Belastungen standhält. Aluminium und Kupfer sind nach wie vor die beiden vorherrschenden Materialien, die jeweils einzigartige Kompromisse zwischen Leitfähigkeit, Gewicht und Kosten bieten.
| Werkstoff | Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) | Dichte (g/cm³) | Kostenindex (≈) | Korrosionsbeständigkeit | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|---|---|
| Aluminium (3003, 6061) | 180-210 | 2.7 | ★★☆ | Hoch | EV-Batterieplatten, Energiespeichersysteme |
| Kupfer | 385-400 | 8.9 | ★★★ | Mittel | Leistungsstarke oder kompakte Module |
| Rostfreier Stahl (304) | 15-25 | 7.9 | ★☆☆ | Exzellent | Marine oder korrosive Umgebungen |
Aluminium dominiert in EV-Kühlsystemen, da es ein geringes Gewicht, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und kostengünstige Formbarkeit bietet. Kupfer bietet zwar eine fast doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit, ist aber schwerer und teurer. Es wird vor allem dort eingesetzt, wo ein hoher Wärmefluss oder Platzmangel extreme Leistungen erfordern.
Oberflächenbehandlungen und Korrosionsschutz
Kühlplatten kommen ständig mit Kühlmitteln auf Glykolbasis in Berührung. Daher ist der Korrosionsschutz von entscheidender Bedeutung, um interne Leckagen und Partikelkontamination zu verhindern. Die wirksamsten Oberflächenbehandlungen kombinieren chemische Stabilität mit der Haftkompatibilität für thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs).
Zu den üblichen Behandlungen gehören:
- Eloxieren: Bildet eine harte Oxidschicht auf Aluminium, die korrosionsbeständig ist und die Wärmeausbreitung verbessert.
- Vernickelung oder Verchromung: Fügt eine Sperrschicht hinzu, die vor galvanischer Korrosion schützt, wenn sie mit ungleichen Metallen gepaart ist.
- Epoxid- oder Passivierungsbeschichtungen: Wird bei extremer Luftfeuchtigkeit oder in der Schifffahrt für zusätzlichen Schutz verwendet.
Tests zeigen, dass eloxierte Aluminiumplatten nach 1.000 Stunden Salzsprühnebelbelastung über 95% ihrer Wärmeleitfähigkeit beibehalten - weit mehr als unbehandelte Platten. Gut aufgetragene Beschichtungen verlängern nicht nur die Lebensdauer, sondern verbessern auch die Reinheit des Kühlmittels und senken so langfristig die Wartungskosten.
Entwurf von Strömungskanälen und Plattenstrukturen
Die interne Kanalgeometrie bestimmt, wie effektiv das Kühlmittel die Wärme absorbiert und über die Platte verteilt. Konstrukteure verwenden CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics), um dieses Gleichgewicht zwischen Temperaturgleichmäßigkeit, Druckabfall und Kühlmittelgeschwindigkeit zu optimieren.
Serpentinen-Flusskanäle
- Ein einziger kontinuierlicher Pfad, der eine vollständige Abdeckung der Oberfläche gewährleistet.
- Bietet eine hervorragende thermische Gleichmäßigkeit, aber einen höheren Druckverlust.
- Ideal für kompakte EV-Module und Batteriepacks mit Schnellladezyklen.
Parallele Strömungskanäle
- Mehrere Strömungswege ermöglichen einen geringeren Druckabfall und einen schnelleren Durchfluss.
- Einfachere Herstellung und Skalierbarkeit.
- Erfordert ein sorgfältiges Ausbalancieren, um eine ungleichmäßige Strömungsverteilung zu vermeiden.
Pin-Fin- oder Dimple-Strukturen
- Kleine 3D-Vorsprünge in den Kanälen erhöhen die Turbulenz und verbessern die Wärmeübertragung um 10-15%.
- In der Regel durch Hydroforming oder CNC-Prägung geformt.
- Am besten geeignet für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, bei denen die Oberfläche entscheidend ist.
Bei EV-Anwendungen liegen die angestrebten Durchflussraten in der Regel zwischen 2 und 4 l/min pro Modul bei einem Temperaturanstieg von weniger als 3 °C zwischen Ein- und Auslass. Die CFD-Analyse stellt außerdem sicher, dass der Druckabfall unter 20 kPa bleibt, wodurch der Energieverbrauch der Pumpe minimiert und eine gleichmäßige Kühlung erreicht wird.
Konstruktionsparameter und Dickenoptimierung
Kühlplatten werden in der Regel aus zwei 1,0-3,0 mm dicken Platten hergestellt. Dünnere Platten sorgen für eine bessere Wärmeübertragung, riskieren aber eine Verformung unter Druck, während dickere Platten die Steifigkeit erhöhen, aber auch mehr Gewicht bedeuten.
Ingenieure setzen die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ein, um innere Druckbelastungen - oft bis zu 0,3 MPa - zu simulieren und Bereiche zu identifizieren, die Verstärkungsrippen oder Anpassungen der Schweißabstände erfordern.
Eine gut optimierte Platte erreicht:
- Toleranz der Ebenheit: innerhalb von ±0,05 mm
- Berstdruck: über 1 MPa
- Thermischer Widerstand: unter 0,20 °C/W
Diese Präzision stellt sicher, dass die Platte auch nach mehr als 10.000 Druckzyklen flach und leckfrei bleibt, was für Hochspannungsbatteriemodule, bei denen die Dichtigkeit nicht verhandelbar ist, von entscheidender Bedeutung ist.
Fertigungstoleranzen und Oberflächenebenheit
Eine wirksame Wärmeübertragung hängt von einer genauen Kontrolle der Oberflächenebenheit und der Kanalgeometrie ab. Selbst kleine Unregelmäßigkeiten können den Wärmewiderstand erhöhen und die Effizienz verringern.
Zu den bewährten Praktiken gehören:
- Kontrolle der Ebenheit innerhalb von ±0,05 mm durch Präzisionsspannung während des Schweißens.
- Minimierung des Schweißraupenverzugs durch kontrollierte Wärmezufuhr und Kühlraten.
- Anwendung von Wärmeleitmaterialien (TIMs) wie Spaltfüller oder Pads zur Überbrückung mikroskopisch kleiner Luftspalten.
Eine Verbesserung der Oberflächenebenheit von 0,10 mm auf 0,05 mm kann den Grenzflächenwiderstand um fast 25% verringern und die Temperaturgleichmäßigkeit insgesamt verbessern.
Herstellungsverfahren für Kühlplatten aus Blech
Die Umwandlung eines digitalen Entwurfs in eine haltbare, dichte und thermisch effiziente Kühlplatte erfordert in jeder Phase Präzision. Von der Blechformung bis zum Schweißen muss jeder Schritt die Geometrie bewahren, Verformungen verhindern und eine gleichbleibende Leistung über Tausende von Einheiten hinweg gewährleisten.
Formung und Kanalbildung
Das Verfahren beginnt mit zwei Aluminium- oder Kupferblechen, die in der Regel 1-3 mm dick sind. Je nach Produktionsvolumen und Komplexität des Designs verwenden die Hersteller verschiedene Umformverfahren:
Präzisionsstempeln
- Ideal für die Produktion großer Stückzahlen.
- Sorgt für gleichbleibende Tiefe und Rinnenkrümmung innerhalb ±0,1 mm Toleranz.
- Am besten geeignet für einfache Serpentinen- oder Parallelflussanordnungen.
CNC-Bearbeitung
- Geeignet für die Herstellung von Prototypen oder Kleinserien.
- Ermöglicht volle Designflexibilität mit Kanaltiefen von bis zu 3 mm und komplexe Geometrien.
- Gewährleistet eine hohe Wiederholbarkeit für die Validierung im Frühstadium oder die Anpassung des Designs.
Hydroforming
- Verwendet Hochdruckflüssigkeit, um gleichmäßig verteilte Kanäle auf der Platte zu bilden.
- Reduziert Eigenspannungen und sorgt für glatte Innenflächen für einen besseren Kühlmittelfluss.
- Bevorzugt in EV-Anwendungen, die kompakte, hochdichte Platten erfordern.
Füge- und Dichtungsprozesse
Sobald die Kanalschicht gebildet ist, werden die beiden Platten miteinander verbunden, um ein dichtes internes Netzwerk zu schaffen. Die Wahl des Fügeverfahrens beeinflusst die thermische Effizienz, das Gewicht und die Produktionskosten.
| Prozess | Eigenschaften | Vorteile | Typischer Anwendungsfall |
|---|---|---|---|
| Laserschweißen | Verwendet fokussierte Strahlen zum Schmelzen und Verschmelzen von Platten entlang vordefinierter Nähte. | Hohe Präzision, minimale Verzerrung, saubere Nähte. | Dünne Aluminium- oder Kupferplatten. |
| Reibrührschweißen (FSW) | Verbindet Platten durch mechanisches Rühren unterhalb des Schmelzpunktes. | Starke Fugen, keine Füllstoffe, minimale Porosität. | Hochdrucksysteme und Strukturplatten. |
| Vakuum-Löten | Verschweißt Bleche mit Zusatzwerkstoff in einem Vakuumofen. | Hervorragende Abdichtung und Leitfähigkeit; keine Oxidation. | Komplexe, mehrkanalige Platten. |
| WIG/MIG-Schweißen | Manuelles oder halbautomatisches Lichtbogenschweißen. | Flexibel für Prototypen oder Reparaturen. | Herstellung von Kleinserien. |
Dazu gehören, Laserschweißen dominiert aufgrund seiner Kombination aus Präzision und Geschwindigkeit. Eine Lasernahtbreite von 0,4-0,8 mm kann eine hohe Ebenheit gewährleisten und einem Innendruck von über 1 MPa standhalten.
Das FSW-Verfahren wird auch für strukturelle Anwendungen immer beliebter, da es ohne Zusatzwerkstoffe auskommt und Verbindungen mit einer 30% höheren Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Schweißnähten erzeugt.
Dichtheitsprüfung und Qualitätsüberprüfung
Nach dem Zusammenfügen wird jede Kühlplatte strengen Dichtheits- und Festigkeitsprüfungen unterzogen, um die Zuverlässigkeit im realen Betrieb zu gewährleisten.
Aufspüren von Heliumlecks
- Erkennt mit Hilfe der Massenspektrometrie Mikrolecks bis zu einer Größe von 1×10-⁶ mbar-L/s.
- Wird für EV-Platten verwendet, die eine 100%-Dichtung erfordern.
Luftdruck- und Unterwassertest
- Die Platte wird mit Luft gefüllt und bei 0,3-0,5 MPa in Wasser getaucht, um zu prüfen, ob Blasen sichtbar sind.
- Einfach und effektiv für Kontrollen auf Produktionsebene.
Druckzyklus- und Berstprüfung
- Simuliert kontinuierliches Heizen und Kühlen unter Arbeitsdruck.
- Eine Standardprüfung kann 10.000 Druckzyklen und einen Berstdruck von über 1,2 MPa umfassen.
Platten, die alle Tests bestehen, werden gereinigt, getrocknet und mit Seriennummern versehen, um eine vollständige Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten und die Einhaltung der ISO 9001 und der PPAP-Dokumentationsstandards für die Automobilindustrie sicherzustellen.
Schlussfolgerung
Kühlplatten aus Blech haben sich von einfachen Wärmetauschern zu integrierten Wärmemanagementmodulen entwickelt. Ihre leichte Struktur, ihre Herstellbarkeit und ihre Fähigkeit, die Temperatur gleichmäßig zu halten, machen sie für moderne EV- und ESS-Systeme unverzichtbar.
Sind Sie bereit, Ihr thermisches Batteriesystem zu optimieren? Unser Ingenieurteam bei Shengen ist auf die Herstellung kundenspezifischer Batteriekühlplatten aus Blech spezialisiert - von der Validierung von Prototypen bis zur Großserienfertigung. Laden Sie Ihre CAD-Dateien hoch oder kontaktieren Sie unsere Ingenieure um zu besprechen, wie wir Ihr nächstes EV- oder Energiespeicherprojekt unterstützen können.
Hey, ich bin Kevin Lee
In den letzten 10 Jahren bin ich in verschiedene Formen der Blechbearbeitung eingetaucht und teile hier coole Erkenntnisse aus meinen Erfahrungen in verschiedenen Werkstätten.
Kontakt aufnehmen
Kevin Lee
Ich verfüge über mehr als zehn Jahre Berufserfahrung in der Blechverarbeitung und bin auf Laserschneiden, Biegen, Schweißen und Oberflächenbehandlungstechniken spezialisiert. Als Technischer Direktor bei Shengen bin ich bestrebt, komplexe Fertigungsherausforderungen zu lösen und Innovation und Qualität in jedem Projekt voranzutreiben.
