Elektromobilität Hydraulische Systeme bei E-Autos: Flüssig bleiben

Mit elektrischen Antrieben verschwinden mehr und mehr hydraulische Systeme aus den Fahrzeugen. Dachte man. Unternehmen wie Petronas Lubricants International (PLI) wissen, dass Kühl- und Schmiermittel die E-Fahrzeuge erst so richtig in Schwung bringen.

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Luftgekühlte Elektroantriebe, gar im Rennsport? Undenkbar, denn leistungsstarke E-Antriebe haben sehr hohe Leistungsdichten sowie elektrische Ströme und produzieren erhebliche Wärmemengen, die in der Praxis nur per Wasserkühlung abzuführen sind. Aus dieser Erkenntnis heraus betreibt Petronas Lubricants International (PLI) schon seit Jahren zahlreiche Forschungs- und Rennsportaktivitäten mit Partnern, um das Thermomanagement der Batterien, E-Motoren und Getriebe zu verbessern.

So ist der Mutterkonzern Petronas seit 2010 Sponsor des Mercedes-AMG-Formel-1-Teams, wo man seitdem Erfahrungen nicht nur mit dem Wärmehaushalt des verbrennungsmotorischen Antriebsstrangs sammelt, sondern auch mit dem Energierückgewinnungs- und Hybridsystem der Formel-1-Boliden. Neuere Kooperationen und Forschungsaktivitäten bestehen mit dem Imperial College London im Bereich Thermomanagement von Lithium-Ionen-Batterien sowie dem Engineering-Dienstleister FEV bei Kühlung und Schmierung von Lithium-Ionen-Batterien, Elektromotoren und Getrieben.

Petronas investiert in Grundlagenforschung

Eine Flüssigkeitskühlung samt Thermomanagement kann die Wärmeabfuhr aus den Lithium-Ionen-Batterien sowohl im Fahrbetrieb als auch bei Ladevorgängen optimieren, die Alterung der Zellen dadurch verlangsamen und so die Langzeitstabilität der Batterie verlängern. Dieser letzte Punkt ist besonders wichtig, da Solid-State-Batterien mit festem Elektrolyt wohl erst nach 2030 in Serie gehen werden. Forscher des Imperial College haben zusammen mit PLI ermittelt, dass eine Kühlung der elektrischen Zuleitungen an den Enden der Zellen deutliche Vorteile im Vergleich zu einer Kühlung der Zelloberfläche bietet: relativ homogene und ähnliche Temperaturgradienten und elektrische Ströme innerhalb der Zellen, ein homogenes Aufladeverhalten und somit eine gute Nutzbarkeit der Zellkapazität. Allerdings operiert eine derart gekühlte Zelle auf einem deutlich höheren Temperaturniveau, was eine gute Kühlung erfordert.

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Um die Leistungsfähigkeit von Thermomanagementsystemen zu bestimmen, haben die Forscher des Imperial College und von PLI zwei relativ einfach zu messende Parameter definiert: zum einen den Zellkühlungskoeffizienten, der angibt, welcher Temperaturgradient in der Batteriezelle erforderlich ist, um ihr eine Leistung von einem Watt zu entziehen. Zum anderen einen Koeffizienten für die Systemperformance des Thermomanagements: Er gibt an, welcher Temperaturgradient zwischen Batteriepack und Kühlsystem erforderlich ist, um ein Watt Leistung aus dem Batteriepack in das Kühlsystem zu überführen.

Weiterentwicklung von Batteriezellen

Mit dieser theoretischen Basis testet und entwickelt PLI verschiedene Kühlsysteme für die im Markt befindlichen Zellvarianten, für Batteriepacks sowie neue Kühlflüssigkeiten. Technische Basis sind zwei Prüfstände für eine indirekte Kühlung per Kühlplatten sowie die direkte (immersive) Flüssigkeitskühlung. Tests haben bereits ergeben, dass herkömmliche Wasser-Glykol-Mischungen bei indirekten Kühlsystemen ein geeignetes Kühlfluid sind. Bei der für Hochleistungsanwendungen erforderlichen immersiven Kühlung hingegen sind sie auf lange Sicht inkompatibel mit den Oberflächen der leitenden Teile. Dafür entwickelt PLI dielektrische, also nicht leitende Flüssigkeiten auf Basis von sehr niedrig viskosen Basisölen. Allerdings müssen für immersive Kühlkonzepte die Batteriezellen gezielt weiterentwickelt werden.

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Bei kompletten elektrischen Antriebssträngen wäre aus Effizienzgründen ein hydraulischer Kreislauf optimal, der die Batterie und den E-Motor kühlt, und gleichzeitig den E-Motor und ein Reduktions- und eventuell vorhandenes Schaltgetriebe schmiert. Allerdings stellt jede dieser Anwendungen ein äußerst komplexes Anforderungsprofil an das Fluid. In (Hochdrehzahl-)Getrieben sind Reibungs- und Verschleißminderung, hohe Oxidationsstabilität sowie eine geringe Neigung zum Aufschäumen gefragt.

Die Abdichtung zum E-Motor reagiert auf eine hohe Temperatur und niedrige Viskosität des Öls sehr kritisch. Bei Lagern darf die Viskosität des Öls ebenfalls nicht zu niedrig sein, damit der Schmierfilm nicht reißt. Und bei E-Motoren zählen vor allem eine hohe Wärmeabführrate, die Kompatibilität mit den eingesetzten Werkstoffen sowie gute dielektrische Eigenschaften, falls elektrische Komponenten direkt gekühlt werden sollen. Insbesondere muss die elektrische Korrosion vermieden werden.

Hybride Fluidsysteme

Für den Antriebsstrang sind deshalb zunächst Zwischenschritte mit hybriden Fluidsystemen denkbar, etwa ein wasserbasierter Kühlkreislauf für Batterie- und E-Motoren sowie ein Schmier- und Kühlkreislauf für E-Motor und Getriebe. Denn Fluids, die alle – manchmal konkurrierenden – geforderten Eigenschaften erfüllen und dann in einem Fluidkreislauf für alle Komponenten einsetzbar sind, müssen erst noch entwickelt werden. Die Produktlinie „Petronas Iona“ ist laut PLI bereits auf die kombinierte Kühlung von Batterie und E-Motor ausgelegt. In Zukunft soll eine ölbasierte zweite Generation des Fluids alle Komponenten des Antriebsstrangs kühlen und schmieren können.

Das Basiswissen für die Kühl- und Schmierstoffe der E-Mobilität verschafft sich PLI außer mit der Arbeit in den Labors und Prüfständen im Entwicklungszentrum in Santena bei Turin. Etwa ein Dutzend Forscher und Entwickler sind mit Anwendungen im Motorsport zumindest temporär beschäftigt, wie etwa für die Formel 1, die Rallye Paris-Dakar und Moto GP. Für das Mercedes-AMG-Formel-1-Team jedoch führen zwei Petronas-Mitarbeiter permanent Öl- und Fluidanalysen durch, um so Verschleiß an mechanischen Komponenten frühzeitig zu erkennen und Ausfallwahrscheinlichkeiten vorhersagen zu können. Wichtig ist laut PLI auch eine hoch kooperative Serienentwicklung mit OEMs und Tier-1-Lieferanten, um Spezifikationen, Testbedingungen, Materialien und Fluide so zu verbessern, dass der Gesamtnutzen von E-Antriebssystemen optimiert wird.

Schaeffler-Vorstand Matthias Zink

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