FEV reduziert Risiko für thermische Propagation

Thermische Propagation ist ein Sicherheitsrisiko für Batteriepacks. Um es zu reduzieren, hat FEV das Design von Hochvoltbatteriepacks optimiert. Gleichzeitig spart der neue Ansatz Entwicklungszeit und -kosten. 

Das Aachener Unternehmen FEV hat einen neuartigen kombinierten Simulations- und Prüfprozess für die Optimierung der thermischen Propagation in Hochvoltbatterien entwickelt. Dieser Prozess soll Verletzungsrisiken und Schäden durch das sogenannte thermische Durchgehen (thermal runaway) von Batteriezellen verringern. Gleichzeitig spare er laut FEV Entwicklungszeit und -kosten.

Für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist das thermische Durchgehen ein Sicherheitsaspekt mit hoher Priorität, denn durch diesen Effekt verursachte Batteriebrände stellen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Für Januar 2021 wird mit der chinesischen Norm GB/T 38031 die erste Vorschrift zur thermischen Propagation erwartet. Sie schreibt eine Mindestwarndauer von fünf Minuten für Fahrzeuginsassen vor, bevor durch ein thermisches Ereignis entstehende Feuer vom Batteriepack überspringen oder von der Batterie freigesetzte Gase in den Fahrgastraum eindringen. Es wird erwartet, dass weitere Aufsichtsbehörden und Märkte dem chinesischen Beispiel folgen.

Thermische Propagation "signifikant reduziert"

FEV hat dazu grundlegende Simulationstechnologien in Kombination mit einem kaskadierten Prüfansatz zur Optimierung des Designs von Hochvoltbatteriepacks entwickelt. Das Ergebnis: Thermische Propagation sowie das Risiko des thermischen Durchgehens werden laut FEV signifikant reduziert. 

Der simulationsbasierte Ansatz beginne nach der Definition der wichtigsten CAD-Daten und Pack-Geometrien in der Basisentwicklungsphase, erklärt das Unternehmen. Dafür wurden von FEV zwei flexible Modelle geschaffen. Die Multiphysics-Simulation diene zur Erstellung eines Modells zur Bewertung und Optimierung des thermischen Durchgehens einer Zelle sowie der Propagation zwischen Batteriezellen und Batteriemodulen. Dieses Modell und seine Anpassung an spezifische Kundenanforderungen sollen die Optimierung des Designs und die Integration von Gegenmaßnahmen wie etwa Wärmesperren ermöglichen. Zeitgleich werde ein zweites  Strömungssimulationsmodell erstellt, das zur Beurteilung und Optimierung des Designs der Entlüftungswege, der Dimensionierung von Entlüftungsventilen sowie der Anordnung der kritischen Hochspannungsleitungen innerhalb des Batteriepacks dient.

Probleme frühzeitig im Entwicklungsprozess lösen

Jedes Modell werde anhand von Testdaten physikalischer Prüfungen validiert, so FEV. Dieser Prüfansatz basiere auf einer schrittweisen Validierung von der Zelle über das Modul bis zum Pack, wobei auf Pack-Ebene verschiedene Dummy-Packs zur Bewertung des thermischen Propagationsverhaltens verwendet werden. Der kaskadierte Prüfansatz lässt sich noch optimieren, wenn bestimmte Angaben wie etwa Zelldaten vorhanden sind. Der Vorteil des FEV-Prozesses sei, dass bereits in einem frühen Entwicklungsstadium experimentelle Rückschlüsse gezogen werden könnten, ohne dass dafür ein voll funktionsfähiges Batteriepack gebaut werden muss. Dadurch ließen sich Zeit und Kosten einsparen.

Nach der Validierung anhand der Daten der physikalischen Prüfungen werden die beiden Modelle zusammengeführt. Das so geschaffene Kombinationsmodell umfasse sowohl das thermische Batteriemodell als auch die lokalen Wärmeübergangskoeffizienten sowie die Flüssigkeits- und Gastemperaturen aus der Strömungssimulation. Dieses Kombinationsmodell könne für noch genauere und detailliertere Simulationen genutzt werden. So seien Leistungsbewertungen und die Auswahl optimierter Designparameter und -variationen möglich. Abschließend werde das Design als komplettes Batteriepack geprüft und validiert.