Temperierungskonzepte für ein Modul mit prismatischen Batteriezellen

Kurzfassung

Dank ihren höheren Energie- und Leistungsdichten im Vergleich zu anderen Batterietypen wie Blei oder Nickel-Metallhydrid-Batterien finden Lithium-Ionen-Batterien oft im Bereich der Elektromobilität Anwendung. Da Temperatur einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien hat, ist der Einsatz eines geeigneten Kühlsystems notwendig, um Zelltemperaturen im optimalen Bereich zu halten. Im Betrieb wird in Batteriezellen aufgrund verschiedenen Wärmequellen in der Zelle Wärme erzeugt. Das Kühlsystem muss sowohl der Temperaturanstieg als auch die Temperaturspreizung in und zwischen Zellen in engen Grenzen halten. In dieser Arbeit wird das thermische Verhalten einer prismatischen Lithium-Ionen-Zelle im Betrieb in Abhängigkeit von C-Rate, Kühlfläche und thermischen Kontaktierung zum Kühlsystem untersucht. Zur Untersuchung des thermischen Verhaltens der Zelle werden Heiz- und Bestromungsversuche auf Zell- und Modulebenen durchgeführt. Durch Durchheiz- und Heizversuche mit der inaktiven Zelle wird die Wärmeleitung in der Zelle zur Verfeinerung des Simulationsmodells näher untersucht. Bei den Heizversuchen wird die Wärme in der Zelle aufgrund Ohm´schen Verlusten mittels einer Heizfolie nachgebildet. Die Bestromungsversuche dienen zur Untersuchung des realen Betriebsfalls. Nach der Bestimmung der Kontaktparameter in der Zelle wird ein Simulationsmodell aufgebaut, welches die Temperaturverteilung in der Zelle im Betrieb möglichst gut abbilden soll. Dabei wird die Wärmeentwicklung in Zellen im Betrieb aus einem elektrischen Zellmodell ermittelt, welches im Simulationsprogramm MATL.AB/Simulink implementiert wird. Das elektrische Zellmodell wird dann an dem Finite-Elemente-Modell der Zelle gekoppelt, um die Zellgeometrie zu berücksichtigen. Anhand Versuchen und Simulationen soll das thermische Verhalten der Zellen in einem Batteriemodul charakterisiert werden.