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Lithium-Ionen-Batterien effizient und exakt mit CFD simulieren

| Autor / Redakteur: Suman Basu * / Kristin Rinortner

Thermomanagementsysteme überwachen die Temperatur einer Batterie und optimieren so die Leistung. Wir stellen ein System mit Flüssigkühlung vor, das mit CFD-Software optimiert wurde.

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Bild 1: Geometrie des Batterie-Packs und des Thermomanagementsystems.
Bild 1: Geometrie des Batterie-Packs und des Thermomanagementsystems.
(Bild: Samsung )

Die Entwicklung der Lithium-Ionen (Li-Ion)-Zelle hat moderne Elektroautos erst ermöglicht. Die vollelektrische Mobilität ist damit zu einer gar nicht so fernen Zukunftstechnologie geworden. Allerdings haben zu verschiedenen Gelegenheiten Li-Ion-Batterien in Autos wegen einer defekten thermischen Überwachung oder Missbrauch Feuer gefangen.

Das unterstreicht die Notwendigkeit neuer Technologien für effiziente, genaue Thermomanamagentsysteme (TMS), die die Temperatur der Batterie überwachen und die Leistung optimieren.

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Das R&D Institute von Samsung präsentierte kürzlich in Zusammenarbeit mit dem Samsung Advanced Institute of Technology in Korea ein neuartiges, auf Flüssigkühlung basierendes TMS für größere Batteriepacks, das diese Herausforderungen adressieren soll [1]. Die Wissenschaftler konstruierten ein gekoppeltes elektrochemisches/thermisches Modell des vorgeschlagenen Batteriepacks. Die Simulation zeigte, dass der Kontaktwiderstand den größten Einfluss auf die thermische Leistung des Packs hat.

CFD-Simulationen als effizientes Entwicklungswerkzeug

Die Strömungssimulation von Batteriepacks durch CFD (Computational Fluid Dynamics) hat sich als effizientes Entwicklungs- und Optimierungswerkzeug bewährt, um Probleme im thermischen Management zu analysieren, denn nur mit dieser Technologie lassen sich die dreidimensionalen Ströme rund um die Zellen und die örtlich unterschiedlich verteilte Wärmeentstehung berücksichtigen.

Bei den großen Batteriebanken mit hohen Entladeraten, wie sie für Fahrzeuge mit elektrischem und Hybridantrieb genutzt werden, zeigt sich, dass Flüssigkeitskühlung effizienter ist als Luftkühlung. Zudem ermöglicht die Flüssigkeitskühlung die Konstruktion kompakter und effizienter Batterien.

Geometrie des Batteriepacks und experimenteller Aufbau

Beim in [1] beschriebenen Lithium-Ion-Batteriepack verwendeten die Wissenschaftler eine kommerziell erhältliche Li-NCA/C-Batterie mit 16650 Zellen. Wärmeleiter aus thermisch hochleitfähigem Metall leiteten die Wärme von den zylindrischen Zellen zum Kühlkanal und schließlich zur Kühlflüssigkeit – in diesem Fall Wasser. Ein Testpack mit 30 Zellen – je sechs Zellen in Serie und fünf Zellen parallel geschaltet – wurde gebaut und ist in Bild 1 dargestellt.

Genaue Vorhersage der Wärmeentwicklung einer Zelle

Eine komplette Charakteristik der Wärmeentwicklung entstand durch das Konstruieren eines dreidimensionalen, CFD-basierten elektrochemischen Modells der Batterie, das sich gegen experimentelle Ergebnisse validieren ließ. Dieses Modell wurde dann genutzt, um die Leistungsfähigkeit des TMS unter verschiedenen Betriebszuständen zu simulieren und zu analysieren.

Die Mitarbeiter des Projekts nutzten die Software STAR-CCM+ von Siemens PLM Software, um die Strömung und den gekoppelten Wärmeübergang zu simulieren, während die elektrochemischen Eingangsgrößen von der Software Battery Design Studio beigesteuert wurden. Diese Kombination wurde genutzt, um die Leistung der Batteriepacks zu simulieren.

Mit dem 3-D-TMS-Modell berechneten die Wissenschaftler das Verhalten des repräsentativen Batteriepacks. Sie stellten fest, dass der Unterschied zwischen der heißesten und der kältesten Zelle lediglich 0,5 K betrug. Es zeigte sich ein klares Muster im Temperaturanstieg, so dass die Spezialisten erkannten, dass sie mit einem passend definierten Temperaturkoeffizienten die Temperatur anderer Zellen anhand der Temperatur von lediglich einer Zelle vorhersagen können.

Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit entscheidend

In elektrischen Fahrzeugen kommt die vom TMS verbrauchte Energie aus der Batterie. Ein geringerer Energieverbrauch des TMS reduziert die Energieentnahme aus der Batterie – das macht eine Optimierung der Kühlmittelströmung sehr wünschenswert. Das STAR-CCM+-Modell zeigte, dass bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit mehr Wärme im Batteriepack gespeichert bleibt, was wiederum zeigt, dass bei langsamer Strömung weniger Wärme ins Kühlmittel übergeht.

In den meisten Batteriepacks ist der maximale Temperaturunterschied auf 3 K in Richtung der Strömung begrenzt. Mit dem experimentellen Modell erreichte man das 3-K-Ziel mühelos und konnte das Batteriepack auch bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten effizient kühlen. Wie Bild 2 zeigt, liegt der Temperaturanstieg in der Batterie auf dem Niveau eines TMS auf Basis eines Graphen-verstärkten Phasenwechselmaterials (PCM), wie es in der Literatur zu finden ist. Auch wenn solche PCM-basierten TMS ebenfalls kompakt sind, erfordert das neue Design keine neuartigen Materialien wie Graphen und kann deshalb preiswerter produziert werden.

Schlussfolgerung: Das mit STAR-CCM+ und Battery Design Studio entwickelte TMS-Modell auf Basis der Strömungssimulation stimmt gut mit den experimentellen Messungen überein. Bei der Validierung zwischen Modell und Experiment erzielten die Mitarbeiter eine Übereinstimmung von über 90% erzielt. Die Wissenschaftler simulierten erfolgreich repräsentative Batteriepacks, die die Symmetrie des Gesamtpacks nachahmten. Dadurch ließen sich die Kosten der Berechnung senken.

Dieses neuartige TMS arbeitet unter eng definierten Bedingungen effizient und sicher, was es zu einem erfolgversprechenden Kandidaten für größere Li-Ion-Packs in elektrischen Fahrzeugen erscheinen lässt.

Literatur

[1] Basu, S., Hariharan, K.S., Kolake, S.M., Song, T., Sohn, D.K., Yeo, T.: Coupled electrochemical thermal modelling of a novel Li-ion battery pack thermal management system, Applied Energy 2016; 181: 1–13. (http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.08.049)

* Suman Basu arbeitet im Bereich Next Generation Research beim R&D Institute von Samsung in Bangalore, Indien.

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