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Thermomanagement von Li-Ion-Akkupacks mit Modellierung optimieren Bessere Akkus durch besseres Thermomanagement

Das Thermomanagement ist ein wichtiger Faktor für die Performance von Akkus. Um es mittels Simulation zu optimieren, sollte man ein paar entscheidende Dinge wissen.

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Ergebnis der Thermomanagement-Simulation eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
Ergebnis der Thermomanagement-Simulation eines Lithium-Ionen-Akkumulators.
(Bild: COMSOL)

Die Effizienz von Lithium-Ionen-Akkumulatoren hängt stark von der Temperatur ab, die sich je nach Einsatzumgebung oder durch Selbsterwärmung schnell ändern kann. Außerhalb des optimalen Bereichs zwischen 20°C und 40°C können sogar einzelne Grad Schwankung einen entscheidenden Unterschied für die Sicherheit, Ladeakzeptanz und Zuverlässigkeit bedeuten.

Welche Aufgaben hat das Thermomanagement?

Das Thermomanagement von Lithium-Ionen-Akkus für E-Mobility-Anwendungen muss zwei wichtige Dinge sicherstellen: Es muss zum einen dafür sorgen, dass die Temperatur im Akkupack innerhalb des optimalen Bereichs bleibt und zum anderen für eine möglichst gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb der Zellen sorgen. Gleichzeitig kann das Thermomanagement selbstverständlich nicht beliebig dimensioniert sein, denn es gibt hierfür, wie für die Akkus selbst, strenge Limitierungen an Gewicht und Größe. Trotzdem muss das System effektiv genug sein, dass es schnell genug die überschüssige Wärme loswerden kann, welche von großen Akkupacks erzeugt wird.

Die gegensätzlichen Anforderungen – hohe Effektivität auf der einen Seite und konstruktive Limitierungen auf der anderen Seite – an das Thermomanagement von Akkupacks sind eine Aufgabe, die sehr gut mit Multiphysik-Simulation lösbar ist. Für Entwickler bietet die Modellierung die Möglichkeit, Akkupacks und ihre Thermomanagementsysteme zu verstehen und zu optimieren, noch bevor der erste physische Prototyp gebaut wird.

Wie sieht ein Akku-Thermomanagement-Modell aus?

Ein Thermomanagement-Simulationsmodell für ein wassergekühltes Akku-Pack muss drei Aspekte beinhalten: Die elektrochemischen Reaktionen in den Zellen, die Strömung in den Kühlkanälen und den resultierenden Wärmetransport im Gesamtsystem. Man kann natürlich alle drei Aspekte vollständig dreidimensional aufgelöst berechnen.

Iso-Temperaturbereiche in einer Lithium-Ionen-Akkuzelle und den Kühlkanälen der Wasserkühlung.
Iso-Temperaturbereiche in einer Lithium-Ionen-Akkuzelle und den Kühlkanälen der Wasserkühlung.
(Bild: COMSOL)

Effizienter ist hier aber ein Ansatz, bei dem zwar der konduktive und konvektive Wärmetransport in den Kühlleitungen und den Zellen vollständig dreidimensional berechnet wird, die Elektrochemie der Akku-Zellen hingegen vereinfacht (1D) modelliert wird. Auf diese Weise ist das Gesamtmodell auf einer normalen Workstation in weniger als einer Minute lösbar und trotzdem exakt genug, um korrekte Voraussagen über das Verhalten des echten Akkupacks zu treffen.

Wie genau Sie auf die hier kurz beschriebene Weise das Thermomanagement von Akkus hochgenau und effizient modellieren können und wie Sie das abgebildete Beispielmodell herunterladen und ausprobieren, lesen Sie hier:

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