Der Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ und Simcenter Battery Design Studio hilft Forschungseinrichtungen, sicherere, effizientere Lithium-Ionen-Batteriepakete zu liefern

Entwicklung eines besseren Wärmemanagementsystems

Durch die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien (Li-ion) ist das Elektrofahrzeug Realität geworden. Eine weit verbreitete Akzeptanz der Elektromobilität liegt daher in nicht allzu ferner Zukunft. Es gab jedoch nicht wenige Vorfälle mit Li-Ion-Batterien in Elektrofahrzeugen, die aufgrund fehlerhafter Wärmemanagementsysteme (TMS) oder fahrlässigem Fahrverhalten Feuer fingen. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, neue Methoden zur effektiven und genauen Konstruktion von TMS zu ermitteln, welche die Temperatur steuern und die Leistung von Li-Ionen-Batteriepakete optimieren.

Um diese Herausforderungen zu meistern, präsentierte das Samsung R&D Institute in Indien in Zusammenarbeit mit dem Samsung Advanced Institute of Technology, Korea, kürzlich ein neuartiges, auf Kühlflüssigkeit basierendes TMS für große Li-Ionen-Batteriepakete. Sie konstruierten ein gekoppeltes elektrochemisches/ thermisches 3D-Modell des vorgeschlagenen Batteriepakets. Die Simulation ergab, dass der Kontaktwiderstand den größten Einfluss auf die thermische Leistung des Batteriepakets hatte.

Die Rolle der numerischen Strömungsmechanik

In Anbetracht der dreidimensionalen Natur der Strömung um die Zellen in einem Batteriepaket und der räumlichen Varianz bei der Wärmeerzeugung hat sich die Simulation von Batteriepaketen mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) zu einem effektiven Tool für Konstruktion und Optimierung entwickelt, um Probleme des Wärmemanagements zu meistern.

Für die großen Batteriepakete, die mit hohen Entladungsraten arbeiten, die typischerweise in Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) verwendet werden, haben numerische Strömungsmechaniken gezeigt, dass die Flüssigkeitskühlung effektiver ist als die Luftkühlung, was die Konstruktion von kompakteren und effizienteren Batterien ermöglicht.

Batteriepaket – Geometrie und experimentelles Setup

In dem in Abbildung 1 dargestellten Batteriepaket wurde ein handelsüblicher Li-NCA/C-Akku mit 18.650 Zellen verwendet. Elemente aus hochleitfähigem Metall übertragen die Wärme von den zylindrischen Zellen an den Kühlkanal und schließlich an die Kühlflüssigkeit (in diesem Fall Wasser). Es wurde ein Testpaket mit 30 Zellen hergestellt, wobei sechs Zellen in Serie und fünf Zellen parallel geschaltet wurden (siehe Abbildung 1).

3D-CFD-Modell

Eine vollständige Charakterisierung der Wärmeerzeugung wurde erzielt, indem ein elektrochemisches 3D-Modell der Batterie konstruiert wurde, das anhand experimenteller Ergebnisse validiert und dann zur Simulation und Bewertung der Leistung des TMS unter verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet werden konnte.

Für dieses Projekt wurden zwei Siemens Digital Industries Software-Produkte verwendet: Simcenter STAR-CCM+ ® Software und Simcenter Battery Design Studio™ Software. Simcenter STAR-CCM+ wurde verwendet, um den Flow zu simulieren und die Wärmeübertragung zu konjugieren, während Simcenter Battery Design Studio genutzt wurde, um elektrochemische Eingabedaten zu erhalten. Diese Kombination wurde verwendet, um die Leistung des Batteriepakets zu simulieren.

Genaue Temperaturvorhersagen aus einer einzelnen Zelle

Das 3D-TMS-Modell wurde verwendet, um das Leistungsvermögen des repräsentativen Batteriepakets zu berechnen. Es wurde festgestellt, dass der durchschnittliche Temperaturunterschied zwischen der heißesten und der kältesten Zelle nur 0,5 Kelvin (°K) beträgt. Als die Autoren ein klares Muster im Temperaturanstieg beobachteten, erkannten sie, dass ein richtig definierter Temperaturkoeffizient die Temperatur anderer Zellen auf der Grundlage der Temperatur einer einzigen Zelle vorhersagen kann.

Die Durchflussmenge des Kühlmittels ist entscheidend

In Elektrofahrzeugen wird die Energie für den Betrieb des TMS aus der Batterie entnommen. Durch die Verringerung des Energiebedarfs für das TMS wird die Batterie weniger belastet, wodurch die Durchflussrate des Kühlmittels optimiert wird, was von zentraler Bedeutung ist. Das Simcenter STAR-CCM+ Modell zeigte, dass bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit mehr Wärme im Batteriepaket gespeichert wird. Dies deutet darauf hin, dass bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten weniger Wärme an die Kühlflüssigkeit abgegeben wird.

Bei den meisten Batteriepaketen ist die maximale Temperaturschwankung auf 3 °K entlang der Strömungsrichtung begrenzt. Das experimentelle Modell erfüllte problemlos die 3 °K-Grenze und konnte das Batteriepaket auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten effektiv kühlen.

Materialien wie Graphen werden in kompakten TMS verwendet. Dabei handelt es sich um ein neuartiges, aber teures Material. Die Ergebnisse in Abbildung 2 zeigen den Temperaturanstieg im Batteriepaket mit dem experimentellen TMS in derselben Reihenfolge wie in der Forschungsliteratur, die Graphen als Phasenwechselmaterial (PCM) basiertes Wärmemanagementsystem verwendet. Obwohl solche PCM-basierten TMS kompakt sind, erfordert dieses neue TMS keinen Einsatz solcher neuartigen Materialien und kann daher zu niedrigeren Kosten produziert werden.

Fazit

Durch den Einsatz des CFD-basierten TMS-Funktionsmodells, das mit Simcenter STAR-CCM+ und Simcenter Battery Design Studio erstellt wurde, stimmten die Ergebnisse von Simulationen und experimentellen Messungen überein – das Modell wurde mit einer Genauigkeit von über 90 Prozent validiert. Es gelang, die Konstruktion repräsentativer Batteriepakete unter Verwendung der Symmetrie des Gesamtpakets zu simulieren – zusammen mit dem TMS, um den Rechenaufwand zu verringern.

Da das TMS unter strengen Bedingungen effektiv und sicher funktioniert hat, ist es ein geeigneter Kandidat für den Einsatz großer Li-Ion-Batteriepakete in Elektrofahrzeugen.