Wärmeübertragung in der Automobilindustrie: Technologien im Fokus

Wenn Wärme zum Systemproblem wird

In der Automobilindustrie war Wärme schon immer ein Thema. Verbrennungsmotoren erzeugen sie in Massen, Abgassysteme leiten sie ab, Kühlkreisläufe halten die Temperaturen im Rahmen. Das kennt jede Entwicklungsingenieurin, die länger als fünf Jahre in der Branche arbeitet.

Mit der Elektromobilität hat sich die Ausgangslage grundlegend verändert. Nicht weil Wärme plötzlich mehr wird. Sondern weil sie an anderen Stellen entsteht, in anderen Mengen, mit anderen Konsequenzen. Eine Hochvoltbatterie, die außerhalb des zulässigen Temperaturfensters betrieben wird, verliert nicht nur Reichweite. Sie wird zum Sicherheitsrisiko.

Das zwingt Entwickler dazu, Wärmeübertragung neu zu denken. Nicht als Nebenproblem. Als Kerndisziplin.

Die drei Mechanismen der Wärmeübertragung

Wer Lösungen entwickelt, muss die physikalischen Grundlagen fest im Griff haben. Wärmeübertragung läuft über drei Mechanismen ab, die in der Praxis selten isoliert auftreten.

Wärmeleitung

Wärmeleitung beschreibt den Transport von Wärmeenergie durch ein festes Material. Die treibende Kraft ist ein Temperaturgefälle. Entscheidend ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials, gemessen in W/(m·K). Kupfer liegt bei rund 400 W/(m·K), Aluminium bei etwa 200 W/(m·K). Technische Keramik wie Aluminiumnitrid erreicht Werte zwischen 150 und 200 W/(m·K) bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolation. Das macht sie in der Leistungselektronik besonders interessant.

Konvektion

Konvektion überträgt Wärme über ein strömendes Fluid, also Luft oder Flüssigkeit. In Automobilen findet sich Konvektion in Kühlmittelkreisläufen, Batterietemperierungssystemen und Lüftungsanlagen. Erzwungene Konvektion mit Pumpe oder Lüfter ist dabei leistungsfähiger als natürliche Konvektion. Der Wärmeübergangskoeffizient variiert je nach Medium und Strömungsgeschwindigkeit erheblich.

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung spielt in Automobilen eine untergeordnete Rolle, ist aber nicht zu vernachlässigen. Oberflächen mit hohem Emissionsgrad geben bei hohen Temperaturen merklich Wärme ab. Vor allem bei Abgaskomponenten und Bremssystemen ist Strahlungswärme relevant.

Wärmeübertragung im Elektrofahrzeug: Neue Anforderungen, neue Systeme

Ein Elektrofahrzeug hat kein Kühlwassernetz, das als Abfallprodukt des Motorbetriebs ohnehin Wärme liefert. Im Winter fehlt diese Abwärme für die Innenraumheizung. Im Sommer muss die Batterie aktiv gekühlt werden. Und die Leistungselektronik, also Wechselrichter, DC-DC-Wandler und Onboard-Charger, produziert Verlustwärme, die präzise abgeführt werden muss.

Das führt zu integrierten Thermomanagementsystemen, die Heizen, Kühlen und Wärmerückgewinnung in einem Kreislauf verbinden. Wärmepumpen spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie verschieben Wärme, anstatt sie zu erzeugen, was den Energieverbrauch deutlich reduziert.

Batterietemperierung

Lithium-Ionen-Zellen arbeiten am effizientesten zwischen 20 und 40 Grad Celsius. Unter 10 Grad sinkt die Ladeleistung. Über 45 Grad beschleunigt sich die Degradation. Das Thermomanagementsystem muss diese Grenzen unter allen Betriebsbedingungen einhalten, beim Schnellladen ebenso wie bei Minus 20 Grad im Winter.

Flüssiggekühlte Batteriesysteme mit Kühlplatten unter den Zellen oder zwischen den Modulen sind der aktuelle Standard. Die Kühlplatten bestehen häufig aus Aluminium. Zwischen Zelle und Kühlplatte kommen thermische Schnittstellenmaterialien zum Einsatz, sogenannte Thermal Interface Materials, kurz TIM. Sie schließen Luftspalten, reduzieren den thermischen Widerstand und übertragen Wärme reproduzierbar.

Leistungselektronik: Hohe Verlustleistung auf kleinstem Raum

Wechselrichter und Laderegler erzeugen Verluste, die als Wärme in den Halbleiterbauelementen anfallen. Bei modernen SiC-MOSFETs (Siliziumkarbid) liegt die Verlustleistung niedriger als bei klassischen IGBT-Lösungen, aber sie ist nicht null. Die Wärme muss vom Chip über das Substrat, die Montagebasis und in das Kühlsystem abgeführt werden.

Keramische Substrate aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid sind hier die erste Wahl. Sie verbinden hohe Wärmeleitfähigkeit mit elektrischer Isolation und erfüllen die Anforderungen aus AEC-Q-Qualifizierungen. Wärmesenken aus Aluminium oder Kupfer, kombiniert mit Wärmeleitpasten oder Phasenwechselmaterialien, schließen die Kühlkette.

Technologien im Vergleich

Normen und Zertifizierungen: Was in der Automobilindustrie gilt

Wer Komponenten für den Automotive-Einsatz entwickelt oder beschafft, kommt an einem Thema nicht vorbei: Qualifizierung. Die Anforderungen sind eng definiert und nicht verhandelbar.

• AEC-Q200: Qualifizierungsstandard für passive Bauelemente. Gilt für Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und thermische Materialien, die im Fahrzeug eingesetzt werden.
• IATF 16949: Qualitätsmanagementsystem speziell für die Automobilindustrie. Lieferanten müssen dieses Zertifikat vorweisen oder zumindest ISO 9001 erfüllen.
• LV 124 / LV 148: Deutsche Automobilhersteller-spezifische Lastenheftvorgaben für Komponenten im 12-V- und 48-V-Bordnetz sowie für Hochvoltsysteme.
• ISO 26262: Funktionale Sicherheit für Straßenfahrzeuge. Relevant, sobald thermische Fehlfunktionen sicherheitsrelevante Auswirkungen haben können.

Thermische Materialien und Substrate, die diese Anforderungen erfüllen, sind nicht frei verfügbar. Die Auswahl geeigneter Lieferanten ist Teil der Entwicklungsaufgabe, nicht nur eine Beschaffungsfrage.

Heatpipes und Vapour Chambers: Wenn Flüssigkühlung nicht reicht

Bei sehr hohen Wärmestromdichten stoßen klassische Kühlkonzepte an ihre Grenzen. Heatpipes nutzen den Phasenwechsel eines Kältemittels im geschlossenen Rohrsystem. Die Flüssigkeit verdampft an der Wärmequelle, transportiert die Energie als Dampf zur Kondensationsseite und gibt sie dort ab. Dann beginnt der Kreislauf von vorn.

Vapour Chambers funktionieren nach demselben Prinzip, jedoch flächig statt röhrenförmig. Sie eignen sich für Anwendungen, bei denen Wärme über eine größere Fläche verteilt werden muss, etwa unter einem leistungsstarken Prozessor oder einem Leistungsmodul mit mehreren parallelen Chips.

Im Fahrzeug gewinnen diese Technologien an Bedeutung, insbesondere in der Fahrzeugelektronik und bei Steuergeräten mit hohen Taktfrequenzen. Passiv, lautlos, wartungsfrei. Das sind Eigenschaften, die in der Automobilindustrie geschätzt werden.

Materialauswahl: Thermische Leitfähigkeit ist nicht alles

Ein häufiger Fehler in frühen Entwicklungsphasen: Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials wird isoliert betrachtet. Dabei entscheidet das Gesamtsystem über die Kühlleistung.

Ein hochleitendes Substrat nützt wenig, wenn die Verbindungsschicht zur Wärmesenke einen hohen thermischen Widerstand hat. Ein Thermal Pad mit 6 W/(m·K) kann schlechter abschneiden als eines mit 3 W/(m·K), wenn es dicker ist und schlechter komprimiert. Kontaktfläche, Dicke, Druck und Grenzflächenwiderstand gehen alle in die Gleichung ein.

Thermische Simulationen mit FEM oder CFD helfen dabei, das Systemverhalten früh im Designprozess zu beurteilen. Sie ersetzen keine physischen Tests, aber sie vermeiden teure Iterationsschleifen in der Hardware.

Was Beschaffer und Entwickler gemeinsam bedenken sollten

In vielen Unternehmen laufen Entwicklung und Einkauf parallel, manchmal zu parallel. Der Entwickler wählt ein Material, das Einkauf kennt den Lieferanten nicht, und die Verfügbarkeit ist im Serieneinsatz nicht gesichert.

Bei thermischen Komponenten für Automotive-Projekte empfiehlt sich eine frühzeitige Abstimmung. Qualifizierungszeiten für neue Materialien oder Substrate liegen oft bei sechs bis zwölf Monaten. Wer diese Zeit nicht einplant, kauft am Ende das falsche Teil, weil das richtige nicht rechtzeitig freigegeben ist.

Ein weiterer Punkt: Second-Source-Strategie. Kritische thermische Materialien sollten von mindestens zwei qualifizierten Lieferanten beziehbar sein. Engpässe in der Halbleiterversorgung haben gezeigt, wie verletzlich eingleisige Beschaffungsstrukturen sind.

FAQ: Wärmeübertragung in der Automobilindustrie

Welche Wärmeleitfähigkeit brauchen Substrate für Leistungsmodule im Fahrzeug?

Für Leistungsmodule in Wechselrichtern oder Ladesystemen werden Substrate mit mindestens 150 W/(m·K) empfohlen. Aluminiumnitrid-Keramik erfüllt diese Anforderung und bietet gleichzeitig elektrische Isolation.

Was ist der Unterschied zwischen Wärmeleitpaste und Thermal Pad?

Wärmeleitpaste füllt Mikrospalten zwischen zwei Flächen und bietet niedrigen thermischen Widerstand. Thermal Pads sind kompressible Matten, die einfacher zu handhaben sind und sich für größere Flächen oder Serienanwendungen eignen, wo Pastenprozesse schwer kontrollierbar sind.

Muss thermisches Material AEC-Q200-qualifiziert sein?

Für sicherheitsrelevante Fahrzeuganwendungen und bei OEM-Anforderungen ist eine AEC-Q200-Qualifizierung oder vergleichbare Automotive-Freigabe in der Regel Voraussetzung. Bei Tier-2-Lieferanten hängt es vom Lastenheft des Kunden ab.

Wie wirkt sich die Batterie-Temperatur auf die Reichweite aus?

Unter 10 Grad Celsius sinkt die verfügbare Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie messbar. Bei Minus 20 Grad können bis zu 30 Prozent der Nennkapazität temporär nicht nutzbar sein. Ein aktives Thermomanagementsystem reduziert diesen Effekt erheblich.

Was sind Thermal Interface Materials (TIM)?

TIM bezeichnet alle Materialien, die zwischen zwei Flächen eingesetzt werden, um den thermischen Widerstand an der Kontaktstelle zu verringern. Dazu zählen Pasten, Pads, Phasenwechselmaterialien und flüssige Metalle.

Wer thermische Komponenten für Automotive-Projekte sucht, die diese Anforderungen erfüllen, findet bei Quick-Ohm ein Sortiment, das auf industrielle Präzision ausgelegt ist.