Thermisches Design von Lithium-Ionen-Batteriezellen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Transkript

1 Thermisches Design von Lithium-Ionen-Batteriezellen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge Thomas Wetzel, Yabai Wang, Werner Faubel (IFG) LIB-Workshop 2010, KIT - Campus Süd, INSTITUT FÜR THERMISCHE VERFAHRENSTECHNIK KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und Nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Thermische Anforderung an Li-Ionen Batterien Temperaturen Elektrische Eigenschaften sind abhängig von der Betriebstemperatur. Reaktionskinetik wird mit zunehmender Temperatur schneller. Li-Ionen-Batteriezellen altern rasch, sofern sie bei zu hohen Temperatur betrieben oder gelagert werden. Bei niedrigen Betriebstemperaturen tritt Lithium-Plating auf. Typische Vorgaben für die Betriebsbedingungen Stillstandtemperatur niemals über 90 C Betriebstemperatur überwiegend bei C (Kerntemperatur) Lade-/Entladevorgänge nur zwischen 0 C und 60 C ΔT in Zelle 10 K ΔT zw. Zelle 5 K

3 Thermische Anforderung an Li-Ionen Batterien Temperaturen Elektrische Eigenschaften sind abhängig von der Betriebstemperatur. Reaktionskinetik wird mit zunehmender Temperatur schneller. Li-Ionen-Batteriezellen altern rasch, sofern sie bei zu hohen Temperatur betrieben oder gelagert werden. Bei niedrigen Betriebstemperaturen tritt Lithium-Plating auf. Typische Vorgaben für die Betriebsbedingungen Stillstandtemperatur niemals über 90 C Betriebstemperatur überwiegend bei C (Kerntemperatur) Lade-/Entladevorgänge nur zwischen 0 C und 60 C ΔT in Zelle 10 K ΔT zw. Zelle 5 K

4 Motivation Herausforderungen Diverse Bauformen Komplexe physikalische Effekte und elektro-chemische Reaktionen in den Batteriezellen Zahlreiche unzureichend genau bekannte Einflussparameter Fehlende Validierungsdatenbasis Ziele Entwicklung neuer Ansätze zur thermischen Modellbildung Experimentelle Ermittlung des thermischen Verhaltens Definition von Anforderungen an die Temperierung und Identifizierung geeigneter Ansätze für das thermische Management von Lithium-Ionen-Batteriezellen

5 Ganzheitlicher Modellierungsansatz Physikalisch-chemische DGLs und Parameterkennfelder Material- und Strukturparameter Simulation thermisches Verhalten Prof. Wetzel Simulation elektrisches Verhalten Prof. Ivers-Tiffée Simulation Dehnungs- Verhalten Prof. Kraft Thermisches Modell Elektrochemisches Modell Schädigungsmodell Gekoppeltes Dynamisches 3D-Zellmodell (Leistungszelle) Leistungsprädiktion und Schadensdiagnose Verkürzung des Entwicklungszyklus und Potentialabschätzung neuer Werkstoffe

6 Thermische Modellierung Thermisches 3D-Modell Wärmeübertragungsmodell Wärmequellenmodell interne externe reversibel irreversibel Wärmeleitung Stromableiter Separator Elektroden Elektrolyt konvektive Wärmeübertragung Wärmestrahlung Bernardi-Modell Elektrochemiebasierte Modelle Impedanz-basierte Modelle (Ersatzschaltung)

7 Thermische Modellierung Reversible Wärmequelle Bernardi-Modell [2] Reversible Wärmefreisetzung Q rev = k I k T U T k, m Reversible elektrische Leistung P = I rev k U k,m k I k : partieller Strom bei der Reaktion k an den Elektroden U k,m : bezüglich einer Referenzelektrode gemittelte theoretische Leerlaufspannung bei der Reaktion k an den Elektroden

8 Thermische Modellierung Irreversible Wärmequelle Elektrochemie-basierte Modelle dh dt tot d dt Kathode: Anode: = j v j i c~ i, j ~ H i, j dv Li 1-x MO 2 + xli + + xe - LiMO 2 Li C n + xli + + xe - x C n j Impedanz-basierte Modelle Thermische Ersatzschaltung [3] R ser R rc C c R c Elektrochemische Ersatzschaltung [4] R i R(r) R(r) R(r) C(r) C(r) C(r) C(r) C(o) ( s) L i Z zarc1 Z zarc2 Z CPE R(o) ( s) Z = L L Z th { u( t) } { i( t) } = { T ( t) } ( ) L L Q t { }

9 Thermische Modellierung Interne Wärmeübertragung Wärmeleitung in den Zellaufbauten Fouriersches Gesetz Wärmeleitungsgleichung Einflussparameter thermisch: λ bzw. a geometrisch: d λ, a = d = f q ( x,t) = λ gradϑ( x,t) f ( Mat., ϑ, SoC, I,...) ( Mat., ϑ, SoC,...) ϑ 2 t = a ϑ Eine zerstörungsfreie Messmethode ist erforderlich! Konvektive Wärmeübertragung durch Bewegung vom Elektrolyt noch fraglich, ob vernachlässigbar oder zu berücksichtigen

10 Thermische Modellierung Photothermische Strahlablenkung (PBD) Frequenzabhängige Größenänderung der thermischen Linse hängt mit der thermischen Leitfähigkeit zusammen. Temperaturleitfähigkeit [5] Zero Crossing Die Proben absorbieren eine Anregung mit moduliertem Licht. Schichtdicke [5] durch Eindringen in mehreren Schichten μ μ a µ = π f

11 Thermische Modellierung Externe Wärmeübertragung Konvektive Wärmeübertragung Diverse Kühlkonzepte für Zelle q = α Δϑ Luftkühlung Boden- bzw. Kopfkühlung Kühlbleche zwischen Zellen Fluidführende Kühlbleche Ableiterkühlung Wärmestrahlung Ortsabhängige Klima-/Wetterbedingungen q = σ ε ( 4 4 T ) T U

12 Ausblick Aufbau des Versuchstandes für thermische Impedanzmessungen etc. Erprobung der Photothermischen Strahlablenkung zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeiten und Schichtdicken von Werkstoffen einer Li-Ionen- Batteriezelle Implementierung eines 3D FEM-Modells unter Verwendung Impedanz-basierter Wärmequellen mit in der Literatur verfügbaren gemittelten Parametern in einer Simulationsumgebung

13 Literatur [1] Isermeyer, T.: Thermisches Management von Li-Ion Batterien; VDI Wissensforum 22, Frankfurt, 2009 [2] Bernardi et al.: A general energy balance for battery systems; J. Electrochem. Soc., 132 (1985), 5-12 [3] Barsoukov et al.: Thermal impedance spectroscopy for Li-ion batteries using heat-pulse response analysis; J. Power Sources, 195 (2002), [4] Linzen, D.: Impedance-based loss calculation and thermal modeling of electrochemical energy storage devices for design considerations of automotive power systems; PhD-Thesis, RWTH Aachen, 2005 [5] Faubel et al.: Determination of thermal diffusivity of ceramics by means of photothermal beam deflection, J. Physics, Conf. Series 214 (2010)

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!