Zusammenschluss zur Entwicklung für die elektrothermische Auslegung von Lithium-Ionen-Batterien

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Seit nunmehr drei Jahren führt das Automotive Simulation Center Stuttgart e.V. – asc (s – im vor-wettbewerblichen Bereich erfolgreich und in einzigartiger Weise Automobilindustrie, Zulieferer, Soft- und Hardwarehersteller sowie Wissenschaft zusammen.


In dem internationalen asc(s-Projekt “Entwicklung und Validierung eines thermischen Simulationsmodells einer Li-Ionen-Batterie von Hybrid- und Elektrofahrzeugen” vereinen sich die Adam Opel AG, Daimler AG, Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und die Software-Firmen CD-adapco und Battery Design LLC. Die Partner erarbeiteten einen konsistenten Entwicklungsplan für eine Simulationsumgebung zur elektrothermischen Auslegung eines Lithium-Ionen-Batteriemoduls, der derzeit konsequent umgesetzt wird. Frau Dr. Kremser vom asc(s übernimmt hierbei die gesamte Projektkoordination. Das asc(s dient somit als ideale Plattform, die Zusammenarbeit von Praxis, Theorie, Softwareentwicklung, experimentell basierter Modellparametrisierung und Validierung eines elektrochemischen Systems in beispielhafter Weise zu fördern. Nur durch diese Bündelung der Kompetenzen der beteiligten Partner können bestmögliche Ergebnisse erzielt werden.


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 und Co. KG) 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 wird. Die Simulationsergebnisse werden innerhalb der Projektlaufzeit anhand realer Experimente verifiziert und validiert. Hierzu liegen 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 stehen dem asc(s die Supercomputer des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität Stuttgart zur Verfügung.


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


Bild:Simulation der Temperaturverteilung zweier Lithium-Ionen-Pouchzellen während eines zyklischen Lade-Entlade-Vorganges mit 50A.


Quelle: Projektkonsortium

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