Thermomanagement von Batterien

Li-Batterien altern einerseits durch Lagerung und andererseits im realen Einsatz. Unter anderen Parametern beeinflusst die Temperatur die Lebensdauer der Batterie. Ein Thermomanagement verlängert deshalb die Lebensdauer und trägt zu einem sicheren Betrieb der Batterie bei.

Der Batterieprüfstand CTR (Cell Test Rig) dient zur Untersuchung des Thermomanagements an Lithium-Ionen-Batteriezellen. Bei einem Test wird unter definierten Lade- und Entladezyklen die Temperatur- und Wärmestromverteilung an der Aussenfläche einer Batteriezelle untersucht. Dazu benutzen wir zwei Betriebsmodi:

• Mode 1: Wärmestromverteilung bei konstant gehaltener Oberflächentemperatur
• Mode 2: Temperaturverteilung bei einer vorgegebenen Kühlung

Auf der Basis der gemessenen Wärmestromverteilung im Mode 1 wird ein Simulationsmodell der Batteriezelle erstellt. Anschliessend wird für ein Batteriemodul bestehend aus mehreren Zellen das Thermomanagement entworfen und simuliert. Meist werden Batteriezellen nur auf ein bis zwei Seiten gekühlt. Durch das Packaging der Zellen im Batteriemodul sind die anderen Seiten quasi isoliert. Die Güte des entworfenen Thermomanagements kann im Betriebsmodus 2 des Zellprüfstandes verifiziert werden. Im abgebildeten Beispiel (Mode 2) sind die Seiten isoliert und der Boden wird gekühlt. Aus Mode 1 ist ersichtlich, dass über den Boden wenig Wärme abgeführt wird. Damit ist die Temperaturverteilung der abgebildeten Messung in Mode 2 zu erklären.

Wird die Zelle an den beiden grossflächigen Seiten gekühlt, sind in den isolierten Zonen kaum Temperaturgradienten feststellbar.

Die Wirkung des entworfenen Thermomanagements kann auf dem Prüfstand getestet werden, bevor das Batteriemodul aufgebaut wird.

Im Wärmeschrank wird das Thermomanagement des Batteriemoduls bei verschiedenen Umgebungsbedingungen und Lastprofilen getestet.