Dieser TechLetter befasst sich mit der thermischen Modellierung von WATTALPS-Batterien und erläutert die Vorteile der patentierten Kühlarchitektur von WATTALPS. Zur Veranschaulichung zeigen wir Simulationsergebnisse für eine Sportwagenanwendung, bei der die thermische Belastung der Zellen mit einer Batterieladung von 80 % in weniger als 20 Minuten verglichen werden kann.
Das Wärmemanagement von Batterien ist für anspruchsvolle Anwendungen unerlässlich.
Wie in unserem TechLetter zum Thema Wärmemanagement von Batterien erläutert, werden die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien in hohem Maße von der Zelltemperatur beeinflusst. Anwendungen, die eine schnelle Aufladung und/oder hohe Leistung erfordern und/oder bei extremen Temperaturen betrieben werden, müssen mit einem effizienten Batterie-Wärmemanagementsystem ausgestattet sein.
Da die Leistung des gesamten Akkupacks durch die Zelle mit der geringsten Leistung begrenzt wird, muss das thermische Managementsystem des Akkus eine sehr homogene Zellentemperatur im gesamten Akku gewährleisten, um eine homogene Alterung und konstante Leistung sicherzustellen.
Fallstudie
Die für diese hohe thermische Belastung ausgewählte Anwendung entspricht einem Sportwagen, der auf einer Rennstrecke mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 140 km/h pro Runde gefahren wird. Für die Li-Ionen-Zellen entspricht dies in etwa der thermischen Belastung, die beim Laden der Batterie von 0 auf 80 % in weniger als 20 Minuten entsteht. Die Fahrzeuggeschwindigkeit und -leistung sind in den folgenden Grafiken dargestellt.
Der für diese Simulation verwendete Batteriepack besteht aus 42 WATTALPS-Hochleistungsmodulen, einer Pumpe und einem Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher. Die Temperatur des Batteriepacks und die Umgebungstemperatur sind zu Beginn der Simulation auf 20 °C eingestellt. Die patentierte Hydraulikarchitektur der WATTALPS-Batterien ermöglicht es, jedes Modul parallel im Hydraulikkreislauf des Packs zu verbinden. Darüber hinaus ist jeder Zellkühlungsstrom innerhalb jedes Moduls parallel geschaltet.
Modelldefinition und Parameter
Die für die Modellierung und Simulationen verwendeten Werkzeuge sind:
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- MAGNA KULI für die 1D-Simulation des gesamten Batteriesystems und Fahrzeugs.
- MAGMASOFT für die CFD-Thermo-Fluidik-Modellierung innerhalb eines Batteriemoduls
Die folgenden Schritte wurden verwendet, um das Modell schrittweise zu verfeinern und das System zu optimieren:
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- Erste Systemstudien in KULI: Vereinfachungen und Annahmen, um einen Vergleich der gesamten Konstruktionsvarianten und der Komponentenauswahl zu ermöglichen
- 3D-Simulation mit MAGMASOFT: ermöglicht detaillierte Informationen zur Strömungsverteilung und zu den Wärmeübergangskoeffizienten auf Basis des 3D-Designs innerhalb eines Batteriemoduls.
- Verfeinerung des KULI-Simulationsmodells mit Daten aus MAGMASOFT-Simulationen: zur Simulation vollständiger Betriebszyklen mit hohem Detaillierungsgrad.
Die in den Simulationen verwendeten Parameter stammen aus Charakterisierungstests, die von WATTALPS und/oder seinen Lieferanten durchgeführt wurden.
Simulationsergebnisse
Der erste Schritt des Simulationsprozesses wurde mit einem vereinfachten Hydraulikkreislaufmodell durchgeführt, das eine ideale Strömungsverteilung innerhalb des Moduls annimmt. Dies führte zu interessanten ersten Ergebnissen mit einer Batterietemperatur unter 40 °C und einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen den Zellen von 0,4 °C in der gesamten Batterie. Dies ist sehr homogen und sehr effizient. Die typische Temperaturverteilung in einem vergleichbaren wassergekühlten Batteriepack liegt bei etwa 8 bis 10 °C.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse starten wir Schritt 2 des Simulationsprozesses. Das Batteriemodul von WATTALPS wurde anhand von 3D-CAD-Daten detailliert modelliert, und die in Schritt 1 ermittelte Heizleistung wurde in das CFD-MAGMASOFT-Modell eingegeben, um die Strömungsverteilung, den Wärmeaustausch und die Temperaturverteilung innerhalb des Batteriemoduls zu überprüfen. Die Strömungsverteilung ist in den folgenden Grafiken dargestellt:
Die Kühlmitteltemperatur im Inneren des Batteriemoduls ist im folgenden Querschnitt dargestellt und zeigt ebenfalls eine sehr gute Temperaturhomogenität im Modul:
In Schritt 3 wurden diese Ergebnisse verwendet, um das MAGNA KULI-Modell zu verfeinern und die Temperaturverteilung der Zellen innerhalb jedes Moduls und anschließend im gesamten Batteriepack genauer zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen eine sehr homogene Temperatur mit weniger als 1 °C Temperaturunterschied innerhalb des gesamten Batteriepacks! Die Kühlleistung des Luft-Flüssigkeits-Wärmetauschers wurde optimiert, um die maximale Zelltemperatur bei 40 °C zu stabilisieren, was einen kontinuierlichen Betrieb bei diesem sehr anspruchsvollen Leistungsprofil ohne Überhitzung der Zellen ermöglicht.
Schlussfolgerung
Das WATTALPS-Batteriesystem ermöglicht die Elektrifizierung extremer Anwendungen und sorgt für eine lange Batterielebensdauer durch:
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- Kühlung der Zellen mit herausragender Effizienz
- Aufrechterhaltung einer sehr homogenen Temperatur in der gesamten Batterie, wodurch Leistungsverluste aufgrund einer schlecht gekühlten Zelle im Pack verhindert werden.
Selbst bei extrem hohen Leistungsanforderungen kann der Akku mit einem einfachen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher gekühlt werden.
Dieser TechLetter wurde mit Unterstützung der Teams von MAGMASOFT und MAGNA KULI verfasst und auf der ECS-Konferenz im Mai 2023 vorgestellt. WATTALPS bedankt sich herzlich für ihre freundliche Mitarbeit.
