T-Cell: Thermischer Batteriezellen Dummy

Autoren

Dipl.-Ing. Roland Lorbeck, Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme, Technische Universität Graz

Jahr

2024

Druckinfo

Eigenproduktion ÖVK

Zusammenfassung

Ein zentrales Element bei der Batterieentwicklung für Fahrzeuge stellt das Thermomanagement dar. Ein wesentliches Problem von Li-Ionen Batterien ist die Betriebstemperatur, welche strikt eingehalten werden soll. Einerseits benötigt die Li-Ionen Zelle eine gewisse Temperatur, um volle Leistung zur Verfügung zu stellen. Andererseits soll eine zu hohe Temperatur aufgrund von beschleunigten Alterungsprozessen möglichst vermieden werden. Das gilt nicht nur für den Fahrbetrieb, sondern vor allem auch für den Schnellladebetrieb. Generell sollte die Temperatur innerhalb des Batteriepacks möglichst gleichmäßig verteilt werden, aber auch die maximale Ladeleistung ist durch die Temperatur und vor allem durch die maximal mögliche Abfuhr der Verlustwärme begrenzt.
Das kritische System wird dabei durch die einzelnen Batteriezellen gebildet. In diesen entsteht durch chemische Umwandlung und Ohm’sche Verluste jene Wärme, die schlussendlich nach außen abgeführt werden muss. Da die Zelle hermetisch abgeschlossen ist, kann die Wärmeabfuhr nur von außen über die Zellhülle erfolgen. Hier kommen verschiedene Lösungen zum Einsatz wie zum Beispiel Luftkühlung, flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatten oder direkte Flüssigkeitskühlung mit verschiedenen Fluiden bzw. Kältemitteln.
Die elektrochemischen Vorgänge von realen Batteriezellen sind kompliziert und bringen viele Herausforderungen mit sich. So sind diese Zellenprozesse durch den Lade- und Entladevorgang instationär, ein eingeschwungener thermischer Zustand existiert also nicht. Das Batterieverhalten ändert sich außerdem mit der Zelltemperatur, dem State Of Charge (SOC) und ist auch von der jeweiligen Zellchemie abhängig. All das führt dazu, dass experimentelle Untersuchungen mit Batteriezellen langwierig und schwer durchführbar sind. Für den Prüfstand wiegt jedoch der Aspekt der Sicherheit am schwersten. Vor allem von Batterien unter Stresssituationen geht ein erhöhtes Sicherheitsrisiko und eine Brandgefahr aus, welche teure Sicherheitseinrichtungen erforderlich macht.
Zusammenfassend lassen sich also zwei Hauptmotivationen zur Identifizierung des Forschungsbedarfs schlussfolgern:

• Durch den steigenden Optimierungsbedarf von Batterie-Kühlsystemen werden in Zukunft vermehrt experimentelle Untersuchungen erforderlich sein.
• Diese experimentellen Untersuchungen an realen, chemisch aktiven Batteriezellen und Batteriemodulen bringen erhebliche sicherheitstechnische Schwierigkeiten mit sich.

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