Effiziente Batterieentwicklung
"Die Möglichkeit alle Merkmale eines Batterie Packs/Moduls innerhalb einer einzigen Umgebung zu analysieren und damit auch seine erforderliche Gesamtleistung zu gewähren ist ein Schlüsselelement, um die Anzahl der Prototypen und Testkosten zu reduzieren. Somit wird die Zuverlässigkeit von Batterien in der Industrie garantiert."
Gaetan Damblanc
CD-adapco’s battery modelling technical lead
Projektbeteiligte
Problemstellung
Die durchgeführte Studie blickt auf den multiphysikalischen Ansatz unter der Anwendung von CAE mit der Zielstellung ein Li-Ionen Batterie Pack zu verbessern und zu optimieren. Der untersuchte Batterie Pack ist ein komplexes System der Firma Behr, in dem u.a. die folgenden physikalischen Aspekte eine wichtige Rolle spielen:
- Das elektrochemische Verhalten von Li-Ionen Batteriezellen unter elektrischer Ladung
- Thermische sowie strömungstechnische Effekte des flüssigen Kühlmittels in den Kühlplatten
- Die unterschiedlichen Wärmetransportmechanismen zwischen den verbauten Komponenten und den umgebenden Fluiden
Werden diese in einem Bereich verändert, wirkt sich das direkt auf die beiden anderen Bereiche aus. Die primäre Herausforderung war daher die genaue Vorhersage dieser Veränderungen in einer zeit- und kosteneffektiven Art und Weise eines so komplexen Systems mit Hilfe von Simulationen zu erhalten.
Herausforderung
- Kopplung eines thermisch flüssigem 3D Models eines gesamten Lithium-Ionen Batteriemoduls (bestehend aus mehreren Zellen, Kühlkreislauf und Gehäuse) mit einem elektrothermischen Kreislaufmodell für die Leistungsvorhersage von Li-Ionen Zellen
- Überprüfung und Abgleich der gekoppelten Simulations- und numerischen Modelle mit Hilfe experimenteller Ergebnisse
Simulationsziel:
- Vorhersage der Zellentemperatur, Optimierung der Kühlung, Wärmemanagement, Energiemanagement, Identifizierung von thermischem Versagen („Thermal runaway“)
Lösung
Die vorgeschlagene Methode ermöglicht die Auswertung eines Batterie Packs in Hinblick auf folgende Anforderungen: Thermische und elektrische Leistungsfähigkeit, Temperatur sowie Inhomogenität des Ladezustands. Die Studie bestätigt, dass die Simulation von Li-Ionen Batterien erfolgreich in den folgenden Situationen eingesetzt werden können:
- zur Kostenreduktion (z.B. Optimierung des Kühlsystems)
- Zuverlässigkeitsstudien (z.B. Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen der Zellen durch Variationen der thermischen und elektrischen Materialeigenschaften)
Die Modelgenauigkeit des Zellen- und Modullevels wurde anhand von Validierungsversuchen ausgewertet. Die Simulations- und experimentellen Ergebnisse zeigen eine gute quantitative und qualitative Übereinstimmung. In den Validierungstests liegt der berechnete Fehler innerhalb von 10%.