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Kühlung ist angesagt

Thermomanagement für Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Kühlung ist angesagt

Es ist sowohl aus operativen als auch aus Sicherheitsgründen entscheidend, Akkumulatoren in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches zu betreiben. Zur schnellen und effizienten Bestimmung der optimalen Kühlmethode setzen Forscher bei Fiat auf numerische Modellierung mit der Multiphysik-Berechnungsmethode.

Autoren: Michele Gosso ist Senior Research Engineer beim Fiat Central Research Center in Orbassano, Italien, Antonio Fiumara ist der Koordinator der Gruppe

Aufgrund der langen Entwicklungszyklen bei Fahrzeugen, müssen Automobilhersteller ihre Baureihen sehr frühzeitig planen. Mit immer strengeren gesetzlichen Emissionsbestimmungen und steigenden Treibstoffkosten wird die Attraktivität elektrischer und hybrider Automobile weiter steigen und der Marktanteil dieser Fahrzeuge folglich deutlich zunehmen.
Um diesen Trend zu nutzen, beschäftigt sich im Fiat Forschungszentrum in Orbassano bei Turin eine Gruppe von Forschern mit der Entwicklung elektrischer und hybrider Fahrzeuge, die Lithium- und Bleiakkumulatoren sowie Superkondensatoren verwenden. Das Produktportfolio Fiats umfasst bereits heute mehrere Transporter mit elektrischem Antrieb. Die nächste Anwendung, in der diese Technologie zum Einsatz kommen wird, ist eine elektrische Version des Fiat 500, die bereits für den US-Markt angekündigt wurde.
Kühlung mehrerer Pouch-Zellen
Das Fiat Forschungszentrum stellt zwar selbst keine individuellen Lithium-Ionen Pouch-Zellen her, ist aber für die Kombination der bis zu 100 Zellen verantwortlich, die in einen Akkupack eingesetzt werden, um die erforderlichen 350 V zu erzeugen. Diese müssen ausreichend gekühlt werden und gleichzeitig möglichst klein und leicht sein. Da die Zellen in Reihe verdrahtet sind, hat eine einzelne Zelle, die aufgrund thermischer Probleme nicht korrekt arbeitet, einen negativen Einfluss auf den gesamten Verbund, und dies gilt es zu vermeiden.
Thermal runaway vermeiden
Wichtig ist, dass die maximale Temperaturdifferenz aller Zellen in einem Akkupack 5 °C nicht überschreitet. Darüber hinaus ist zu beachten, dass eine insgesamt zu niedrige Temperatur die maximale Ladung des Akkumulators reduziert. Ist die Temperatur zu hoch, besteht das Risiko eines „thermal runaways“, was zu einem starken Anstieg der Temperatur und damit zu Elektrolytaustritt, Rauchentwicklung oder schlimmstenfalls zu einem Brand führen kann.
In den Akkumulatoren wird Wärme sowohl durch joulesche Erwärmung als auch durch chemische Reaktionen erzeugt, was als Funktion der Stromdichte bestimmt werden kann. Das Fiat Forschungszentrum bevorzugt bei seinen Designs Konvektionskühlungen durch Luft. Zur Untersuchung der Temperaturverteilung verwenden die Ingenieure bei Fiat Comsol Multiphysics.
Aufteilung der Pouch-Zelle
Das Simulationsmodell unterteilt jede Oberfläche einer Pouch-Zelle in neun Bereiche, die den Wärmefühlern in der Zelle entsprechen. Die Ingenieure untersuchten die Temperaturverteilung bei verschiedenen Ladungs- und Entladungsgeschwindigkeiten und überprüften, ob das Modell mit der Realität, wie mit Wärmefühlern und Infrarot-Kameras gemessen, übereinstimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Ergebnisse der Simulation mit einer Abweichung von maximal 1 °C mit den Messwerten übereinstimmten. Mit dieser Erkenntnis und dem Vertrauen in das Simulationsmodell konnten kritische Bereiche der Zelle identifiziert und die interne Temperaturverteilung weiter untersucht werden. Dies führte zu Erkenntnissen, die auf andere Weise nicht hätten gewonnen werden können, da es sehr schwierig ist, Wärmefühler in die Akkumulatoren zu integrieren und damit verlässliche Messwerte zu generieren.
Kleinere, leichtere Akkupacks
Mit dem durch das Modell hinzugewonnenen Wissen waren die Ingenieure in der Lage, die Verbindungen zwischen den Zellen zu reduzieren, was nicht nur den benötigten Platz, sondern ebenfalls das Gewicht reduzierte, da ein kleinerer Rahmen verwendet werden konnte. Dies vereinfachte auch die Nutzung der Akkupacks in einer größeren Bandbreite an Fahrzeugen, was wichtig ist, weil die Ingenieure versuchen, Batterieantriebe auch bei bereits auf dem Markt existierenden Fahrzeugen einzusetzen.
Des Weiteren zeigte sich in der Untersuchung, dass auch ein Lüfter mit geringerer Leistung ausreicht, um die nötige Kühlung zu gewährleisten. Dies hat dazu beigetragen, die Kosten weiter zu senken.
Entwicklungszeit sinkt drastisch
Durch den Einsatz der Simulation waren die Ingenieure darüber hinaus in der Lage, die Entwicklungszeit um 70 % zu verkürzen. Anstelle der benötigten 1000 h für den Designentwurf eines Akkupacks konnte die Entwicklungszeit auf 300 h reduziert werden.
In einem zukünftigen Projekt sollen auch andere Extrembedingungen, wie Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, für diese Akkumulatoren näher betrachtet werden. Insbesondere der Ladevorgang kann bei diesen Temperaturen schwierig sein. Allerdings sind sich die Ingenieure des Fiat Research Centers sicher, dass diese Probleme durch die geschickte Nutzung der jouleschen Erwärmung und mit einem innovativen Design gelöst werden können.
Comsol Multiphysics, Tel.: 0551 99721-0,
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