asc(s-projekt HEVs/PEVs

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1 asc(s-projekt HEVs/PEVs Entwicklung und Validierung eines thermischen Simulationsmodells einer Li-Ionen-Batterie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge Projektmanager: Dr. Jenny Kremser Tel: +49 (0) Motivation Digitale Entwicklungsmethoden wendet man bereits in der frühen Phase des Fahrzeug- Entwicklungs-Prozesses (FEP) an, bevor die ersten Hardware-Prototypen entwickelt werden. Diese numerischen Simulationen helfen die Entwicklungszeiten eines Fahrzeugs weiter zu verkürzen. Zur virtuellen Auslegung von Fahrzeugen sind funktionale Bewertungen in den einzelnen Phasen des digitalen Entwicklungsprozesses in unterschiedlichen Disziplinen erforderlich. Jede dieser Funktionalitäten wird hinsichtlich Crash, NVH, Karosseriesteifigkeit, Fahrverhalten, Fahrwerkdynamik, Aerodynamik, Energie- und Wärmemanagement sequentiell optimiert. Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und reine Elektrofahrzeuge (PEV) stellen im digitalen Entwicklungsprozess neue numerische Anforderungen dar, aufgrund der neuen Komponenten des alternativen Antriebs, wie Batterie, Elektromotor und elektronische Steuergeräte. Um den Energiebedarf für die Kühlung oder Heizung einer Hochleistungs- Lithium-Ionen-Batterie zu verringern, soll eine neue Simulationsumgebung entwickelt werden. Diese soll die verschiedenen numerischen Bereiche Wärme- und Energiemanagement und Kühlung/Kältemittel-Anwendungen erfassen. Die Weiterentwicklung der Simulationsverfahren soll helfen, den Kraftstoffverbrauch der HEVs weiter zu reduzieren und die Laufleistung der PEVs zu erhöhen. Derzeitiger Stand der Technik Zahlreiche Untersuchungen zur Kopplung von thermischen und elektrochemischen Modellen wurden in den letzten zehn Jahren durchgeführt, um das thermische Verhalten einer Lithium-Ionen-Batterie zu verstehen. Um die Wärme, die eine Zelle im Betrieb erzeugt, zu bestimmen, können in der Literatur folgende elektrochemische Modelle gefunden werden: Seite 1 von 5

2 BERNARDI D., PAWLIKOWSKI E., NEWMAN J., A general energy balance for battery systems, In: J. Electrochem. Soc., 1994, Vol. 141, pp FULLER T. F., DOYLE M., NEWMAN J., Simulation and optimization of a dual lithium ion insertion cell, In: J. Electrochem. Soc., 1994, Vol. 141, pp Gu W.B., WANG C.Y., Thermal-electrochemical modelling of battery systems, In: J. Electrochem. Soc., 2000, Vol. 147, pp KIM G-H., PESARAN A., SPOTNITZ R., A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells, In: Journal of Power Sources, 2007, Vol. 170, pp SUBRAMANIAN V.R., BOOVARAGAVAN V., RAMADESIGAN V., ARABANDI M., Mathematical model reformulation for Lithium-ion battery simulations: Galvanostatic boundary conditions, In: J. Electrochem. Soc., 2009, Vol. 156, pp. A VERBRUGGE M., FRISCH D., KOCH B., Adaptive energy management of electric and hybrid electric vehicles, In: J. Electrochem. Soc., 2005, Vol. 152, pp. A Der Stand der Technik zeigt, dass Berechnungsmethoden zur Kopplung von elektrochemischen Modellen und thermischen 3D-Modellen für bestimmte Fahrzeugbetriebsbedingungen nicht vorhanden sind. Deshalb müssen Kopplungsstrategien und numerische Modelle entwickelt werden, die eine Simulation des Wärmemanagements einer Lithium- Ionen-Batterie in einem Fahrzeug ermöglichen. Zielsetzung Die folgenden Anforderungen sollen erfüllt werden: 3D-Berechnung des Wärmeflusses aus einer Zelle zum Batterie-Kühlsystem für eine Optimierung der Kühlung, Berechnung des thermischen Verhaltens des Batteriesystems unter maximaler elektrischer und thermischer Belastung zur Auslegung für das Wärmemanagement, Berechnung des thermischen Verhaltens des Batteriesystems im Fahrzyklus für das Energiemanagement, Bewertung des Einflusses thermaler Ausreißer eines Hot-Spots in einer Zelle und deren Auswirkungen auf die gesamte Zelle und das Batteriemodul. Um die Komplexität überschaubar zu halten, konzentriert sich das Projekt auf die Entwicklung eines Simulationsprozesses, welcher das elektrische und thermische Verhalten einer Lithium-Ionen-Batterie beschreiben soll. Dabei besteht das Batteriemodul aus mehreren Zellen, Gehäuse und Kühlmittelkanälen. Die Integration des Batteriemoduls in das Fahrzeug wird durch den Zu- und Ablauf des Kühlmittels sowie durch die thermischen Randbedingungen an der Außenhülle des Moduls dargestellt. Die Kühlmittelbedingungen erhält man aus thermischen Systemsimulationen. Die thermischen Randbedingungen werden aus vorherigen Simulationen des thermischen Verhaltens des Fahrzeugs ermittelt. Das numerische Modell des Batteriemoduls soll die folgenden Ergebnisse in Abhängigkeit der Zeit liefern: Ladezustand, Spannung und elektrisches Potential der einzelnen Zellen, Temperaturverteilung in jeder Zelle, Temperaturverteilung in den Kühlplatten, Strömungs-, Temperatur- und Druckverteilung des Kühlmittelstroms. Seite 2 von 5

3 Es soll ein Full CFD Approach erstellt werden, der das Verhalten der Lithium-Ionen- Batterie in 3D simuliert. Bei diesem Ansatz soll das elektrochemische Batteriemodell mit dem Strömungs-Solver gekoppelt werden, um eine gekoppelte Lösung bereitzustellen. Schließlich müssen die gekoppelten Simulationen und die numerischen Modelle mittels experimenteller Ergebnisse validiert und verifiziert werden. Um ein effizientes Simulationsmodell der Batterie hinsichtlich Rechenkosten und Netzfeinheit zu erhalten, muss ein allgemeingültiges CFD-Modell entwickelt werden, welches die physikalischen Prozesse und Mechanismen genau wiedergibt. Weiterhin bedarf es eines vereinfachten Modells der Batterie, das in transienten Berechnungen auf der gesamten Fahrzeugebene integriert werden soll. Bild 1 zeigt das Grundprinzip des CFD-Modells. Dieses Modell besteht aus einem elektrischen Netzmodell und einem thermischen Finite Volume (FV)- Modell. Bild 1: Kopplung zwischen dem elektrischen Netzwerk-Modell und dem thermischen Finite Volume (FV)-Modell Derzeit gibt es keine allgemeingültige Vorgehensweise, wie fein das elektrische und das FV-Netz gewählt werden sollen, wie eine optimale Kopplung zwischen dem elektrischen und dem thermischen FV-Netz aussieht, wie die Zeitdiskretisierung gewählt werden soll, um den industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Eine allgemeingültige Vorgehensweise wird im Rahmen des Projekts durch Einbeziehung der Theorie und der experimentellen Ergebnisse auf Zell- und Modulebene entwickelt. Seite 3 von 5

4 Arbeitsinhalte Das Gesamtprojekt wird in zwei Projektteile gegliedert: in einen strategischen (S) und einen industriellen (I) Teil. Die Unterteilung verdeutlicht die Art und Weise, wie die Informationen im Rahmen des gesamten Projekts behandelt werden. Informationen, die aus industriellen Arbeitspaketen stammen, werden vertraulich unter den Projektpartnern behandelt und Informationen aus strategischen Arbeitspaketen werden für alle Mitglieder des asc(s zugänglich sein. Das gesamte Projekt HEVs/PEVs gliedert sich in 7 logisch aufgebaute Arbeitspakete (AP): AP 1: Projektmanagement S/I AP 2: Hardware und Modelleinstellung I AP 3: Experimente I AP 4: Parametrisierung I AP 5: Modellentwicklung I AP 6: Datenmanagement, Berechnungen und Use-Cases S/I AP 7: Verifikation und Validierung S/I Das Projektteam asc(s e.v. Projektdefinition, Ausarbeitung der Projektverträge, Durchführung der Kick-off- Veranstaltung und Bildung des Projektteams, Festlegung des Projektsprechers, Projektsteuerung und Monitoring (Inhalte, Termine, Budgets...), Bewertung der Zielerreichung, Projektabschluss und Review. OEMs (Daimler AG, Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, Adam Opel AG) Vorgabe der Zielrichtung, Managementunterstützung, Dokumentation, Definition der Use- Cases für Validierungsexperimente, Modellspezifizierung, Simulationstests für Verifikation und Validierung des Modells, Analyse der Ergebnisse. Batteriehersteller (Behr GmbH & Co. KG) Dokumentation, Durchführung der Experimente, Bereitstellung von Hardware-Prototypen und deren CAD-Daten und Eigenschaften. ISVs (CD-adapco, Battery Design LLC) Parametrisierung des elektrochemischen Zellmodells, Implementierung des Full CFD Approach -Modells, Durchführung der Simulationen, Analyse der experimentellen und simulativen Ergebnisse, Bereitstellung der benötigen Softwareprogramme und Lizenzen (STAR-CCM+ und Battery Design Studio ) kostenlos für den Einsatz im Projekt. Zeitplan Die Gesamtlaufzeit des Projektes beträgt 24 Monate. Der Projektbeginn wird nach der Kickoff-Veranstaltung in den Räumlichkeiten des asc(s bestätigt werden. Seite 4 von 5

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