EinBliC - Entwicklung eines Multiphysikberechnungsmodells von Li-Ion Zellen als Basis zur Steigerung der Batteriecrashsicherheit

Gegenwärtig werden für Hybrid- bzw. Elektrofahrzeuge meist lithiumbasierte Traktionsbatterien verwendet. Im Falle eines Fahrzeugcrashs kann eine Beschädigung der Batteriezellen zu einem Kurzschluss und in weiterer Folge zu einer Gefährdung von Mensch und Umwelt durch hohe Temperaturen und giftige Rauchgase kommen. Aus diesem Grund werden elektrische Energiespeicher durch mechanisch stabile Gehäuse geschützt und zusätzlich in Fahrzeugbereichen platziert, die im Allgemeinen bei einem Crash kaum deformiert werden.

Kurzbeschreibung

Inhalte und Zielsetzungen

Ziel des vorliegenden Projektes war die Entwicklung einer neuen Simulationsmethode, welche das mechanisch-elektrisch-thermische Verhalten von Batteriezellen bei Deformation prognostizieren kann.

Methodische Vorgehensweise

Als Lösungsansatz wurde eine Kombination aus expliziter mechanischer Finite-Elemente-Analyse und impliziter Multiphysik-Simulation gewählt. Diese Simulationsmethode zur Korrelation von mechanischer Belastung mit den elektrisch-thermischen Reaktionen einer Zelle ist ein Novum in der Branche und erhielt den Namen „VSI Hybrid-Ansatz". Auf Seiten der mechanischen FE-Simulation wurde ein makroskopisches Modell entwickelt, welches die äußere Belastung der Zelle im Fall eines Crashs in einem Gesamtfahrzeugmodell vorhersagen kann. Darauf aufbauend wurde zur Detailuntersuchung ein mikroskopisches Modell erstellt, welches Beschädigungen im Inneren der Batteriezelle (Separator) mit hoher örtlicher Auflösung prognostizieren kann. Beide Modelle liefern sowohl für quasistatische, als auch für dynamische Lastfälle valide Ergebnisse. Zur Übergabe des Rechennetzes von der mechanischen zur multiphysikalischen Simulation wurde ein Geometrie-Interface entwickelt. Dieses Tool ist modular aufgebaut und erlaubt neben der Transformation von Rechennetzen auch die Anwendung von komplexen, derzeit nicht implementierten, Materialversagensmodellen.

Ergebnisse und Ausblick

Zusammengefasst kann das Geometrie-Interface zur Identifikation und Lokalisation von Kurzschlüssen in der Zelle, zum Einbau von Kurzschluss-Elementen in das Multiphysik-Mesh und zur Generierung von Netzen für die Multiphysik-Simulation verwendet werden. Mit Hilfe einer eigens dafür entwickelten Mnemonik ist es möglich, die Geometrie der Zelle (z.B. Schichtenaufbau, Dimension, Schichtdicken, Materialeigenschaften, ...) unabhängig von der Bauart zu definieren. Das Geometrie-Interface kann demnach mehr als ein programmtechnisches Rahmenwerk zur Kombination mehrerer Funktionalitäten in Zusammenhang mit mechanischer und multiphysikalischer Simulation von Li-Ionen Zellen gesehen werden. Zur validen Simulation von Lade-/Entladevorgängen wurde ein Batteriemodell anhand von Versuchsdaten parametriert. Dieses Basismodell berechnet den elektrischen und thermischen Zustand der Zelle im relevanten Temperaturbereich und für relevante Entladeströme. Darauf aufbauend wurde ein neuartiges Kurzschluss-Modell entwickelt und in das Basismodell integriert. Zunächst wurden verschiedene Ansätze und theoretische Modelle verglichen und auf deren Eignung zur Kurzschluss-Simulation hin überprüft. Nachdem ein endgültiges Konzept festgelegt war, wurden mehrere Versuchsserien durchgeführt welche die Basis zur Validierung des Simulationsmodells darstellen. Diese Versuche lieferten sehr gute Ergebnisse und bilden die Grundlage zur Entwicklung und Validierung des Kurzschluss-Modells. Zum Abschluss des Projektes wurde die Funktionsfähigkeit der Simulationskette vom mechanischen Modell über das Geometrie-Interface hin zur Multiphysik-Simulation demonstriert. Hierbei ist es gelungen explizite und implizite FE-Solver miteinander in einem Workflow zu koppeln. Es konnten erstens die prinzipielle Machbarkeit und zweitens die Funktionalität des VSI Hybrid-Ansatzes gezeigt werden. Eine derart kombinierte Simulationsmethode ist bisher nicht veröffentlicht worden und stellt daher, aufgrund ihrer bisherigen Einzigartigkeit in der Branche, ein besonderes Highlight dar.

Projektbeteiligte

Projektleitung

Technische Universität Graz - Institut für Fahrzeugsicherheit (Member of Frank Stronach Institute)
DI Dr. techn. Wolfgang Sinz

Projektpartner

AVL List GmbH
DI Peter Gollob
AUDI AG
Michael Stadler

Kontaktadresse

Technische Universität Graz - Institut für Fahrzeugsicherheit (Member of Frank Stronach Institute)
DI Dr. techn. Wolfgang Sinz

Tel.: 43-316-873-30310
Fax: 43-316-873-30302
E-Mail: wolfgang.sinz@tugraz.at

Dieses Projekt wurde im Rahmen des Programms "Mobilität der Zukunft" vom BMVIT finanziert.

Weiterführende Informationen finden Sie im Infonetz der FFG.