Untersuchung des optimalen Batteriezellen-Designs für eine möglichst effiziente Zellkühlung

Bei der Gestaltung von Lithium-Ionen-Batterien stellt die effiziente Temperierung der Zellen eine zentrale Rolle dar. Dabei liegt der Fokus der Entwicklung meist auf dem Kühlsystem und nicht auf der Geometrie, sowie der Dimensionierung der Batteriezelle. Das Ziel dieser Arbeit ist es mittels Simulation ein optimales Zelldesign zu finden, das den Fokus auf eine möglichst effiziente Zelltemperierung legt. Dafür wird der Einfluss der Dimensionierung der eigentlichen Zelle, sowie von wichtigen Komponenten wie dem Batterieterminal, auf das thermische Verhalten untersucht. Zunächst wird ein vollparametrisches Simulationsmodell einer Pouchzelle mit Stromableiterkühlung erstellt. Anschließend können durch die Untersuchung von festgelegten Berechnungspunkten mittels einer CFD-Software, verschiedene Zusammenhänge der geometrischen Eingangsparameter mit den thermischen Ausgangsparametern beschrieben werden. Durch Auswertung dieser Zusammenhänge kann je nach Optimierungsziel und Randbedingungen ein angepasstes Zelldesign gefunden werden. Durch dieses Vorgehen bei der Gestaltung der Zelle kann bei gleichem Kühlsystem eine Temperaturreduzierung, sowie eine Reduzierung der Temperaturunterschiede erreicht werden. Zudem werden Beispiele für verschiedene Zelldesigns je nach Anforderungen und Spannungsfeldern untersucht.

When designing Lithium-Ion batteries, the efficient temperature control of the cells plays a pivotal role. In most cases the developmental focus will lie on the cooling system rather than on the geometry and dimensioning of the battery cell. The goal of this work is to, using simulations, find an optimal cell design that achieves a particularly efficient cell temperature control. For this, parameters such as the dimensioning of the actual cell and important components such as the battery terminals must be analyzed for their influence on thermal performance. Firstly, a fully parametric simulation model of a pouch-cell with a current collector cooling system is created. Subsequently, by analysis of several set calculation points using a CFD-software, specific correlations between the geometric input parameters and thermal output parameters can be characterized. These correlations then allow for individually adapted cell-designs depending on set optimization goals and boundary conditions. Using this procedure during the design process of a cell, significant thermal gains can be made while using the same cooling system itself, as well as a reduction of temperature variation throughout the battery. Furthermore, some examples of different cell-designs are analyzed depending on their specific requirements and voltage field.