Thermische Validierung mit Dummy-Batteriezelle

Die steigende Nachfrage nach Elektromobilität, tragbaren Elektronikgeräten und erneuerbaren Energielösungen treibt den Bedarf an leistungsstarken und langlebigen Batteriesystemen in die Höhe. Damit Batterien über die vorgesehene Lebensdauer zuverlässig funktionieren, müssen sie in einem bestimmten, schmalen Temperaturfenster betrieben werden: Die thermische Validierung des Zusammenspiels einzelner Batteriezellen gewährleistet den sicheren und effizienten Betrieb vom gesamten Batteriesystem.

Stand der Technik

In der Praxis ist die thermische Validierung von Batteriezellen ein schwieriger Balanceakt zwischen risikoreichen und zeitintensiven physischen Tests mit echten Batteriezellen und Simulationen, die auf Annahmen basieren. Herstellende Unternehmen greifen dabei auf physische Tests zurück, die auf geltenden Normen basieren.

Technologie

Forschende am IPEK – Institut für Produktentwicklung des KIT und am InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) fanden die Lösung in innovativen gemischt physisch-virtuellen Batteriezell-Ersatzmodellen (BEM): Eine „Dummy-Zelle“ imitiert das thermische Verhalten einer echten Referenzzelle, besteht jedoch ausschließlich aus chemisch inerten Ersatzmaterialien ohne elektrisches Potenzial. Zunächst werden elektrische, thermische und geometrische Daten einer echten Batteriezelle oder die gewünschten Eigenschaften einer hypothetischen Zelle erfasst. Basierend auf diesen Daten erfolgt die Auslegung in einer Simulation, welche das ideale thermische Verhalten der Zelle sowohl im Inneren als auch nach außen hin abbildet. Es folgt der Übertrag auf einen Dummy: Aus dem jeweils geeigneten Ersatzmaterial wird eine Dummy-Zelle aufgebaut. Der Zellaufbau wird anhand weiterer Simulationen schrittweise dem thermischen Verhalten der echten Zelle beziehungsweise der „Wunschzelle“ angenähert.

Vorteile

Die Dummy-Zelle ermöglicht eine kosteneffiziente und dennoch präzise Analyse der thermischen Eigenschaften von Batteriesystemen. Aufwändige Testumgebungen mit teurer Sicherheitstechnik und gesundheitlichem Risiko sind, zumindest zu Beginn eines Entwicklungsprozesses, nicht mehr notwendig. Außerdem eröffnet das Ersatzmodell völlig neue Validierungssziele, wie die Untersuchung von örtlich begrenzten Temperaturen und durch Wärmeenergie auftretende Verluste.

Optionen für Unternehmen

Das KIT bietet Auftragsarbeiten sowohl für KMUs als auch für OEMs an und ist auf der Suche nach Partnern für anwendungsspezifische Entwicklungsprojekte sowie zur gemeinsamen Forschungsarbeit.