Motivation

Li-Ionen Batterien finden aufgrund ihrer Vorteile gegenüber anderen elektrischen Energiespeichern hinsichtlich der Speicherdichte und Langzeitstabilität zunehmend Verwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Die hierfür nötigen Leistungen und Kapazitäten werden durch Parallelschaltung einer Vielzahl von Einzelzellen in Batterieblöcken erreicht. Die gegenwärtig eingesetzten elektrochemischen Aufbauten der Zellen weisen jedoch eine hohe Temperatursensibilität auf. Oberhalb von ca. 60°C dürfen die Zellen nicht be- und entladen werden, ohne erhebliche Degradation und beschleunigte Alterung auszulösen. Unterhalb von ca. 0°C sinken die möglichen Entladeraten auf so niedrige Werte, dass ein Einsatz für Traktionszwecke sehr erschwert wird und zudem Li-Plating auftreten kann.
Darüber hinaus weisen die Zellen Verlustleistungen auf, die zur Selbsterwärmung führen. Für die betriebssichere thermische Auslegung von Li-Ionen Batterien ist daher eine zuverlässige thermische Modellierung unabdingbar. Wegen des komplexen Aufbaus der Batterien ist die Ableitung und Validierung solcher Modelle jedoch erschwert.

Forschungsziel

Um das Verhalten innerhalb einer Li-Ionen-Zelle eindeutig beschreiben zu können wird die Entwicklung und Validierung eines detaillierten numerischen 3D-Modelles zur Beschreibung des thermischen Verhaltens von Li-Ionen-Batteriezellen umgesetzt.

Zur Erreichung dieses Ziels wir ein Versuchstand zur Einstellung präzise definierter thermischer Umgebungsbedingungen und Untersuchungen von dynamischen Vorgängen ausgearbeitet. Hierdurch wird die Qualifizierung und Automatisierung geeigneter Messtechnik zur Bestimmung der Verteilung von Temperaturen und Wärmestromdichten ermöglicht.
Parallel wird die Automatisierung und Erweiterung des Versuchsstandes „Photothermische Strahlenablenkung“ zur kontaktlosen Bestimmung von bspw. Schichtdicke und Temperaturleitfähigkeit von realen Zellmaterialien durchgeführt.

Neben der eigentlichen Modellentwicklung werden so auch ein Analysewerkzeug zur thermischen Charakterisierung von Li-Ionen-Batteriezellen sowie eine Validierungsdatenbasis entstehen, die von Batterie-/Zellentwicklern genutzt werden können.