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Thermische Analyse und Thermomanagement von Li-Ionen Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Thermische Analyse und Thermomanagement von Li-Ionen Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Ansprechpartner:

Becker, HerbergerPaarmann, QueisserSeegertTh. Wetzel  

Motivation

Li-Ionen Batterien finden aufgrund ihrer Vorteile gegenüber anderen elektrischen Energiespeichern hinsichtlich der Speicherdichte und Selbstentladerate zunehmend Verwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Die hierfür nötige Leistungsabgabe und Kapazität werden durch Verschaltung einer Vielzahl von Einzelzellen zu Batteriestacks erreicht.

 

 

                                        

                                                                          Abb. 1: Ragone-Diagramm 1

 

 

Die gegenwärtig eingesetzten elektro-chemischen Aufbauten der Zellen weisen eine hohe Temperatursensibilität auf. Neben den stets auftretenden betrieblichen Alterungseffekten tritt außerhalb eines spezifischen Temperaturfensters eine beschleunigte Alterung und dauerhafte Schädigung der Zellen auf. Weiterhin reduziert sich bei niedrigen Temperaturen die Leistungsabgabe, so dass ein Einsatz für Traktionszwecke erschwert wird. Unter Last erwärmen sich die Zellen durch innere Verlustleistungen. Für die betriebssichere thermische Auslegung der Batteriestacks sind daher prädiktive thermische Verhaltensmodelle der Li-Ionen Batterien erforderlich. Die entwickelten Modelle und Methoden basieren hierbei auf einer hochwertigen Datenbank von Materialparametern.

                                            

 

 

 

 

Elektrisch-thermisches Kompaktmodell

Zur effizienten Beschreibung des Verhaltens von Batteriezellen werden Kompaktmodelle entwickelt, die die Batteriezelle durch physikalisch basierte, elektrische und thermische Ersatzschaltbilder beschreiben. Der Vorteil von Ersatzschaltbildern gegenüber komplexen numerischen Modellen liegt in der Reduzierung auf wenige entscheidende Ersatzelemente, die für die Beschreibung des wesentlichen Verhaltens ausreichen. Bei der Parametrierung der einzelnen Elemente werden sowohl Alterungseffekte als auch äußere Randbedingungen berücksichtigt.
Experimentelle Untersuchungen unter elektrischer und thermischer Belastung finden sowohl zur betrieblichen als auch kalendarischen Alterung von Batteriezellen statt.

 

 

Numerische Modellierung

Um das Verhalten innerhalb einer Li-Ionen-Zelle eindeutig beschreiben zu können wird die Entwicklung und Validierung eines numerischen FEM-Modells (multi-scale approach) umgesetzt. Im makroskopischen Maßstab geschieht dies mittels detaillierter dreidimensionaler Modelle. Parallel hierzu wird eine physikalische 1D-Modellierung der Schichtstruktur durchgeführt um die Auswertung von Diffusionsdynamiken in der porösen Elektrodenstruktur zu ermöglichen. Zusätzlich wird durch gezielte Parametrierung der Modellierung zusätzlich ein schnelles und effizientes Analysewerkzeug für Li-Ionen Batterien bereitgestellt.
Neben der Analyse von Alterungseffekten im Makro- und Mikromaßstab steht die thermische Beurteilung unterschiedlicher Zellchemien und Zelldesigns (prismatisch, pouch, zylindrisch) sowie verschiedener Ansätze des thermischen Managements im Fokus.

 

 

Materialanalyse

Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Elektroden- und Separatormaterialien im Speziellen und dünnen Schichten im Allgemeinen wird ein photothermisches Messsverfahren, die sogenannte photothermische Strahlenablenkung, angewendet. Zusätzlich sind mit diesem Verfahren Aussagen über die Haftfestigkeit von Schichten, die Schichtdicke und Defekte unter der Oberfläche möglich. Im institutseigenen Code ATHOS (Analysis of Thermal Diffusivity with Optical Photothermal Systems) sind hierfür verschiedene physikalische Auswertungsmodelle umgesetzt und ermöglichen präzise Analysen. Zur weiteren thermischen Analyse steht ein kalorimetrisches Messverfahren (DSC) zur Verfügung. Zellöffnungen, Dichtebestimmungen und morphologische Untersuchungen (u.a. XRD, SEM, BET, Hg-Porosimetrie) werden in Kooperation mit beteiligten Instituten durchgeführt. Neben der eigentlichen Modellentwicklung verfügen wir somit auch über eine umfangreiche Validierungs- und Stoffdatenbasis.

 

 

Im Rahmen dieses Projekts werden zahlreiche Studien- und Diplomarbeiten sowie Möglichkeiten für HiWi-Tätigkeiten angeboten. Nähere Informationen können gerne telefonisch oder per E-mail eingeholt werden.

 

 

Kooperationspartner

 

        
 

Kontakt:

Dipl.-Ing. Dominic Becker B.Eng. Sabrina Herberger M.Sc. Sabine Paarmann M.Sc. Oliver Queisser
Tel. 0721/608-45217 Tel. 0721/608-46835 Tel. 0721/608-45216 Tel. 0721/608-45218
dominic.becker@kit.edu sabrina.herberger@kit.edu sabine.paarmann@kit.edu oliver.queisser@kit.edu

 

 

 

 

Dipl.-Ing. Philipp Seegert Prof. Dr.-Ing. Thomas Wetzel
Tel. 0721/608-46834 Tel. 0721/608-46447
philipp.seegert@kit.edu thomas.wetzel@kit.edu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

                

               

          

1 B. Ketterer, U. Karl, D. Möst, and S. Ulrich. Lithium-Ionen Batterien: Stand der Technik und Anwendungspotenzial in Hybrid-, Plug-In Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Wissenschaftliche Berichte FZKA 7503, Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Materialforschung I, Oktober 2009.