Leaf ZE1 - theoretische Gedanken zur Akkuerwärmung

Nachdem es mehrere Fahrten auf A7 durch die "Kasseler Berge" gab, habe ich mal die Eckdaten theoretisch aufbereitet.
Aus den Erfahrungen der Testfahrten scheinen Leistungen von mehr als 15-20kW den Akku deutlich zu erwärmen.
Wann diese "hohen" Leistungen auftreten ist im folgenden dargestellt.

Die Kasseler Berge schlagen mit zum Teil 7% Steigung/Gefälle rein - meist nur für kurze Strecken von max. 2-4km und max. 160 Höhenmeter. Relativ häufig kommen wohl 4% Steigungen/Gefälle.
Eine lange Steigung von 250m Höhenmeter und 15km (ca. 1,7%) kommt auch vor Fulda und hinter Kassel (Richtung Norden).

Der Akku vom LEAF wird während der Berg- und Talfahrt (4%) für wenige Minuten mit 25-48kW entladen und dann mit 6-19kW geladen.

LEAF bei 80km/h (100km/h) - Bergauf:
2% => 21kWh/100km => 17kW (25kW)
4% => 30kWh/100km => 25kW (34kW)
7% => 45kWh/100km => 36kW (48kW)

LEAF bei 80km/h (100km/h) - Bergab:
2% => +2kWh/100km => +2kW (+5kW)
4% => -7kWh/100km => -6kW (-4kW)
7% => -22kWh/100km => -19kW (-17kW)

In der Ebene:
80km/h => 12kWh/100km => 9,5kW
100km/h => 15kWh/100km => 15kW
120km/h => 19kWh/100km => 22kW

--

Die Gedanken zur max. Kühlung des Akkuboden mittels erzwungener Konvektion.

40kWh Batterie wiegt mit allen ca. 300kg => 150kg Metalle (Stahl und Kupfer) und 150kg Sonstiges (Elektrolyt, Kunststoffe)

Spez. Wärmekapazitäten:
0,38 kJ/(kg·K) - Kupfer
0,45 kJ/(kg·K) - Stahl
0,90 kJ/(kg·K) - Alu
2,00 kJ/(kg·K) - PE, PC, PA, ...
4,18 kJ/(kg·K) - Wasser

Um die Batterie um 10°C zu erwärmen braucht es 3.600 - 7.200kJ Wärmeenergie.
Das sind dann 3.600 - 7.200kWs oder 1-2kWh oder 1-2kW Verlustleistung innerhalb der Batterie über eine Stunde.

Da durch die kompakte Bauweise der Batterie sehr wenig Wärme an die Umgebung angegeben wird, bleibt die Batterie sehr warm.
Durch freie Konvektion am Unterboden (Fläche ca. 2qm) könnte ein wenig Wärme abgebaut werden.
Bei 10°C Temperaturdifferenz zwischen Batterie Abdeckblech unten und die umströmende Luft aufgrund der Fahrtgeschwindigkeit kann folgende Wärmeleistung durch erzwungene Konvektion übertragen werden:
1km/h => 0,3kW
50km/h => 0,9kW
100km/h => 1,2kW

Wenn beim Schnellladen mit 40kW ca. 5% Verluste in der Batterie entstehen, dann sind das 2kW elektr. Wärmeleistung. Und die Batterie wird damit in einer Stunde 10-20°C wärmer - je nach Materialmix.

[maxholland]

Bei der Eingangsleistung wird die Batterie mit mehr als 19 kW warm. Ich nehme an, dass es bei der Ausgabe eine gewisse Symmetrie mit Wärmegewinn geben sollte. Ihre 15 -20 kW scheint in der richtigen Gegend zu sein.
Ich habe dir eine Nachricht in deinen Posteingang geschickt, um Daten zu teilen.
Max

[MMA]

...
Da durch die kompakte Bauweise der Batterie sehr wenig Wärme an die Umgebung angegeben wird, bleibt die Batterie sehr warm.
Durch freie Konvektion am Unterboden (Fläche ca. 2qm) könnte ein wenig Wärme abgebaut werden.
Bei 10°C Temperaturdifferenz zwischen Batterie Abdeckblech unten und die umströmende Luft aufgrund der Fahrtgeschwindigkeit kann folgende Wärmeleistung durch erzwungene Konvektion übertragen werden:
1km/h => 0,3kW
50km/h => 0,9kW
100km/h => 1,2kW

Wenn beim Schnellladen mit 40kW ca. 5% Verluste in der Batterie entstehen, dann sind das 2kW elektr. Wärmeleistung. Und die Batterie wird damit in einer Stunde 10-20°C wärmer - je nach Materialmix.

Hallo,

vielleicht kann jemand erklären, wie es zu den Zahlen der übertragenen Wäremleistung durch erzwungene Konvektion kommt?

Hintergrund meiner Frage: Kann es funktionieren, das man bei einer Schnelladung Lüfter unter das Auto schiebt und die Konvektionskühlung auch im Stand besser ausnutzt. Welche Ergebnisse sollten da möglich sein?

Es gibt ja diverse 12 Volt Lüfter, die ganz schön viel Wind machen können. z.B.: Motorenlüfter bei Verbrennern. Im Vergleich zum Fahrtwind bei 100 km/h natürlich wenig, aber die Lüftung wär in dem angedachten Fall sehr gezielt und könnte daher eine besser Wirkung als der Fahrtwind haben. Was ähnliches gibt es auch für Nodebooks. Da kennt man es unter den Namen Cooling Pad.

Ganz abseits davon, dass ich es recht seltsam finden würde, dass man beim Schnellladen einen Ventilatorblock unter das Auto schiebt, würde mich einfach interessieren, ob theoretisch funktionieren kann.

MFG.
Matthias

[electic going]

Mich würde da vor allem das WO interessieren. Denn ich denke mir, dass gerade der dicke Akkublock beim Rücksitz durch den Fahrtwind am wenigsten Luft abbekommt, da dort ja nicht zuletzt durch die ganzen Aerodynamik-Unterbodenbauten wenig(er) Luft zirkuliert. Oder?

[bm3]

Das läuft hier in die Richtung wie beim NSU-Prinz früher, da war deswegen auch immer die Motorhaube hinten einen Spalt breit aufgestellt.

[joschka]

nicht ganz .. da er ja wohl während der fahrt mittels fahrtwind gekühlt wird sollten ja entsprechende luftführungen vorhanden sein.....

wäre es daher nicht relativ einfach und kostengünstig möglich das mangelnde temperaturmanagement (das ja so wie ich gelesen habe ausschließlich via fahrtwind arbeitet) durch einen an entsprechende stelle nachzurüstenden ventilator nachträglich herzustellen, der im stand ... bei schnellladung ... eine gewisse luftkühlung herstellt

das sollte doch die temperatur ein wenig senken und die schnellladung länger oder häufiger möglich machen ... zumindest verbessern

[Wolfgang vdB]

...
würde mich einfach interessieren, ob theoretisch funktionieren kann.

MFG.
Matthias

Kann nicht funktionieren,oder eben nur mit sehr geringer,nicht nennenswerter Kuehlleistung.
Der Aufwand wuerde in keinem Verhälniss zum Nutzen stehen.
Kuehlen funktioniert nur,wenn jede einzelne Zelle gleichmässig runtergekuehlt wid.
Das ist der grosse Vorteil der Zellen,die Tesla verbaut.
Durch ihre Bauform bietet sich die Wasserkuehlung hier an und gleichzeitig erhitzen sich die Teslazellen nicht so stark wie die vom Leaf.
Die Leafzellen haben den Vorteil,das sie etwas leichter sind wie die vom Tesla.
Etwas preiswerter sind sie auch.
Das wird auch der Grund sein warum Nissan selbst beim 40iger noch keine Accukuehlung eingebaut hat.
Die Zellen sind dafuer einfach nicht geeignet.
Spannend wird es beim kommenden 60iger.
Ich vermute,das man hier andere Zellen nimmt,da ich mir einen 60iger ohne aktive Kuehlung einfach nicht vorstellen kann.

So lange man den Leaf, wie ich, als Pendlerauto benutzt muss man sich aber keine Sorgen machen.
Thermische Probleme gibt es nur bei Schnelladungen,wie sie bei Langstrecken nötig sind.

Der Leaf ist immer noch ein Pendler-und Kurz-/ Mittelstreckenauto.

so long

[MMA]

...
Kann nicht funktionieren,oder eben nur mit sehr geringer,nicht nennenswerter Kuehlleistung.

Hi Wolfgang,

das ist grundsätzlich auch meine Befürchtung, aber die Kühlung klappt ja halbwegs bei normaler Fahrt. Da gibt es auch keine Einzelzellenkühlung. Ist es bei dir mehr als ein Gefühl, dass eine gerichtete Belüftung im Stand nicht klappen kann?

Welche Zahlen sind die Grundlage für deine Aussage? Wenn man mit 40 KW lädt, fallen die 100 Watt für einen größeren Lüfter nicht wirklich ins Gewicht. Im Verhältnis muss das gar nicht viel zusätzliche Kühlung liefern, damit es sich auszahlt.

Bezüglich Einbau eines Lüfters:
Ich hab beim Leaf immer gelesen, dass es sich bei dem Behälter der Akkus um eine geschlossene Konstruktion handelt. Die Kühlung erfolgt über Temperaturabführung über die Oberfläche des Behälters. Eine geeignete Stelle für den Einbau eines Lüfters wird man vermutlich schwer finden.

MFG.
Matthias
PS: Ich warte noch auf meinen Leaf, soll im September kommen. Hab aber auch keine Bedenken, weil ich ihn ebenfalls nur fürs Pendeln bzw. Kurz-/Mittelstrecke verwenden werde. Die Neugierde ist aber trotzdem da.

[Wolfgang vdB]

Ich sage ein Versuch macht klug.
Stell ein Gebläse unter den Wagen und beobachte,was passiert.
Man muss sich natuerlich ueberlegen,warum Nissan den Batterieblock nicht grosszuegig verrippt hat um durch die vergrösserte Oberfläche die Wärme besser abzufuehren.
Vielleicht möchte man diese Art der indirekten Kuehlung gar nicht,da die Zellen die Aussen liegen weniger Temperatur hätten wie die Inneren.
Es muesste dann vermutlich mehr balanciert werden.
Es wird wohl so sein,das man entweder alle Zellen gleichmåssig kuehlt,oder eben gar nicht.

so long

[bm3]

Temperaturunterschiede zwischen den Zellen sind generell ungünstig, weil der Akku damit weniger belastet werden kann und mehr balanciert werden muss. Das Balancer-Konzept beim Leaf funktioniert aber etwas anders als man es so kennt. Es wird permanent balanciert. 24h , 365d , nicht nur während des Ladens. Dafür mit recht geringen Strömen.