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Ermittlung und Auslegung eines Konzeptes für ein energieeffizientes Thermomanagement einer Lithium-Ionen-Batterie unter Einsatz intelligenter Werkstoffe

 
: Ohsenbrügge, Christoph

Dresden, 2011, 68 S.
Dresden, TU, Dipl.-Arb., 2011
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IWU ()
Latentwärmespeicher; PCM; Phasenwechselmaterial; Metallschaum; Lithium-Ionen-Akkumulator; Thermomanagement; latent heat storage; phase-change material; metal foam; lithium-ion battery; thermal management

Abstract
Das Thermomanagement ist bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren ein entscheidender Faktor, um den sicheren Betrieb und eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen. Erstrebenswert ist es, dieses Thermomanagement mit Maßnahmen zur Crashsicherheit in einem Package zu vereinen. Durch den Einsatz von Latentwärmespeichern in diesem Package sollen Temperaturspitzen abgeschwächt und eine homogene Temperaturverteilung gewährleistet werden, wobei der Energiebedarf für eine aktive Kühlung stark verringert wird. Das verwendete Phasenwechselmaterial aus Paraffin wird in eine Matrix aus geschlossenporigem Metallschaum mit Mikrorissen eingebettet, um es sicher und gezielt einsetzen zu können sowie einen ausreichenden Wärmetransport zu ermöglichen. Auf Basis von Messdaten und Literaturangaben wird ein Simulationsmodell aufgebaut, das es ermöglicht, verschiedene Einsatzkonzepte für Phasenwechselmaterial zu untersuchen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wird eine bevorzugte Variante für ein Batteriepackage entwickelt. Dieses erfüllt die gesetzten Anforderungen hinsichtlich der Maximaltemperatur der Li-Ion-Zellen sowie der Temperaturverteilung für den betrachteten Lastfall. Die Vorzugsvariante wird als Grundlage für den Aufbau eines Demonstrators genutzt.

 

The thermal management of lithium ion batteries is a central element for operation safety and high lifetime. A combined integration of mentioned thermal management and measures for crash safety into one battery package is desirable. The use of a latent heat accumulator should level temperature spikes and allow for high uniformity of temperature while reducing the energy demand of an active cooling system. The phase-change material is embedded in a matrix of closed-cell metal foam with microcracks to allow for a safe and well-directed application as well as sufficient heat transport. Based on measured data and literature a simulation model is created which makes a study of various arrangements of phase-change material possible. Then a preferential layout for a battery package is developed based on the obtained knowledge from these szenarios. It fullfills the thermal requirements regarding peak temperature and uniformity for the given load case. The preferential layout is used as a basis for the construction of a functional model.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-195670.html