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09.10.2011 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Neues Simulationsmodell berechnet Temperaturverteilung in Li-Ionen-Batterien

Autor:
Caterina Schröder

Eine leistungsfähige Simulationsumgebung für die elektrothermische Auslegung von Lithium-Ionen-Batterien ist das Ziel des internationalen Projekts "Entwicklung und Validierung eines thermischen Simulationsmodells einer Li-Ionen-Batterie von Hybrid- und Elektrofahrzeugen" des Automotive Simulation Center Stuttgart (asc(s). Nachdem die beteiligten Partner Opel, Daimler, Porsche sowie CD-adapco und Battery Design LLC in den vergangenen drei Jahren einen konsistenten Entwicklungsplan für eine Simulationsumgebung erarbeitet haben, wird dieser nun umgesetzt.

Das neue Simulationsmodell umfasst die Kopplung zwischen einem thermofluidmechanischen 3D-Modell des kompletten Lithium-Ionen-Batteriemoduls inklusive Kühlsystem (basierend auf CAD-Daten der Behr GmbH) mit einem elektrothermischen Ersatzschaltmodell. Letzteres beschreibt das lokale Strom-Spannungsverhalten sowie die lokale Verlustwärmefreisetzung der einzelnen im Modul verbauten Akkumulatoren (Batteriezellen). Das Gesamtmodell kann sowohl für die Untersuchung des Wärme- und Energiemanagements als auch zur Designoptimierung des Batteriekühlsystems eingesetzt werden. Die Kenntnis der Temperatur- und Ladeverteilungen innerhalb des Batteriemoduls von Zelle zu Zelle ist entscheidend, weil auftretende Inhomogenitäten die Lebensdauer der Batterien maßgeblich beeinflussen.

Das Simulationsmodell beschränkt sich zunächst auf die Analyse des Batteriemoduls, wobei die spätere Gesamtfahrzeugintegration durch entsprechende Randbedingungen realisiert werden soll. Die Simulationsergebnisse werden innerhalb der Projektlaufzeit anhand realer Experimente verifiziert und validiert. Hierzu liegen nach Angaben des Simulationszentrums bereits Ergebnisse aus Experimenten von Behr vor, in denen das Batteriemodul typischen Betriebsbedingungen im regulären Betrieb eines Fahrzeugs ausgesetzt wurde. Derzeit werden begleitende Simulationen durchgeführt, um die Ergebnisse aus beiden Welten miteinander zu vergleichen. Hierfür greift das asc(s auf die Supercomputer des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität Stuttgart zu.

Das Einsatzgebiet der entwickelten Simulationsumgebung ist die frühe Phase des virtuellen Fahrzeugentwicklungsprozesses, um die engen elektrothermischen Batteriemodulanforderungen in Abstimmung mit der Fahrzeugentwicklung sicherzustellen. Dies wird als eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung optimierter Designkonzepte elektrifizierter Fahrzeuge gesehen, die den steigenden Ansprüchen an eine energetische Verbrauchsoptimierung, Reichweite und Lebensdauer gerecht werden.

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