Batterie
Kurzfassung
Langlebige und sichere Batteriesysteme
Wir beantworten die thermischen Fragestellungen unserer Kunden zu Batteriezellen, -modulen und -systemen. Das Thermomanagement, die Alterung sowie die Sicherheit stehen dabei im Fokus. Insbesondere beschäftigen wir uns mit Lithium-Ionen-Batterien in batterieelektrischen Fahrzeugen und in stationären Batteriespeichern.
Thermomanagement
Bewertung von Batterie-Thermomanagementsystemen für Elektrofahrzeuge
Das Thermomanagement ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Schnelladefähigkeit von Batterien in Elektrofahrzeugen. Die thermische Simulation ermöglicht bereits in der Entwurfsphase eine schnelle Bewertung des Batterie-Thermomanagementsystems (BTMS) hinsichtlich maximaler Temperaturen und Temperaturgradienten über ein Modul, Stack oder System.
Wir verfügen über 0D/1D-Modelle (Modelica / Simulink) der Batterie und ihrer Komponenten und kombinieren diese mit den Thermofluidmodellen aus unserer Modellbibliothek TIL. Wir bieten Leistungen mit den folgenden Modellierungsmethoden an:
- Beschreibung des elektro-chemischen Verhaltens und der irreversiblen sowie der reversiblen Wärmefreisetzung
- Berechnung mehrdimensionaler Temperaturfelder und Wärmequellen durch geeignete Verschaltung der 0D/1D-Modelle
- Verwendung der Batteriemodelle zur Bewertung verschiedener Kühl- und Heizkonzepte (Luft, Wasser, Öl, Kältemittel, Heatpipes)
- Einbindung in Gesamtfahrzeugmodelle
CFD- und Feldberechnungsmethoden (Star CCM+, Ansys, OpenFOAM) kommen für hochaufgelöste detaillierte Untersuchungen neuer Kühl- und Heizkonzepte zum Einsatz. Für unsere Kunden führen wir detaillierte Untersuchungen durch:
- Vielversprechende Kühlplattenkonstruktionen hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Druckverluste
- Elektronik- und Hochvolt-Komponenten
- Neuartige Kühlkonzepte und -topologien
Die 3D-Modelle können wir durch Modellreduktionsmethoden in Modelle überführen, die in Systemsimulationen einsetzbar sind. Hierbei greifen wir auf unsere Erfahrung in der Modellierung und Simulation der typischen Zelltypen (Pouch, prismatisch, zylindrisch) und diverser Zellchemien (NMC, NMCA, LFP, NCA) zurück. Die Modelle entwickeln wir in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden und Forschungspartnern. Die Entwicklung unserer Modelle basiert auf Messdaten, Herstellerdaten oder wissenschaftlichen Publikationen.
Abbildung 1: links: 3D-Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung für ein beispielhaftes Batteriemodul inkl. Kühlplatte; rechts: 0D/1D-Modellierungsansätze und die resultierende Temperaturverteilung für eine prismatische Zelle mit einer Bodenkühlung
Thermische Sicherheit
Thermal Runaway und Thermal Propagation
Eine Gefahr bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien stellt das durch Fehler induzierte Abbrennen von Batteriezellen dar (Thermal Runaway). Die Ausbreitung des Thermal Runaway im Modul, Stack oder System wird thermische Propagation (Thermal Propagation) genannt.
Durch physikalische sowie durch vereinfachte empirische 0D/1D/3D-Modelle bilden wir folgende Effekte ab:
- Relevante Wärmeleitungspfade
- Freigesetzte Wärme
- Ablaufende Reaktionen
- Entgasungsströme
Dieses Vorgehen ermöglicht uns die Bewertung verschiedener Konzepte, Maßnahmen und Materialien zur Vermeidung und Begrenzung von Thermal Runaway bzw. von Thermal Propagation. Mit den entsprechenden Modellen können anschließend durch geeignete Algorithmen passive und aktive Maßnahmen für sichere Module und Stacks optimiert werden.
Gemeinsam mit unseren Forschungspartnern untersuchen wir experimentell die Alterung und den Thermal Runaway von verschiedenen Batteriezellen, auch für einzelne Zellkomponenten. Mithilfe der Ergebnisse können wir Reaktions- und Zellmodelle ableiten, kalibrieren und validieren, sowie physikalische und chemische Mechanismen aufzeigen.
