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2020
Master Thesis
Titel
Entwicklung eines Modells zur performanten elektrisch-thermisch gekoppelten Simulation von am Ableiter temperierten Lithium-Ionen-Batteriezellen zur Bewertung des Thermomanagements von Traktionsbatterien
Abstract
In der vorliegenden Arbeit wird ein elektrisch-thermisch gekoppeltes Modell einer am Ableiter temperierten Batteriezelle entwickelt. Dieses soll schnelle und einfache Berechnungen von Batteriezellen im Kontext eines auszulegenden Thermomanagements ermöglichen. Die wesentlichen Temperaturdifferenzen in der Zelle und die Wärmeleitung in das Kühlsystem sollen ausreichend abgebildet werden. Als Anwendungsbeispiel dient eine am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie vorliegende Konstruktion eines Batteriesystems. Um das thermische Verhalten der genutzten Lithium-Ionen-Batteriezelle zu identifizieren wird zunächst ein Pseudo-2D Modell der Zelle aufgebaut. Es wird anhand von gemessenen Entladezyklen der Zelle kalibriert. Auf dieser Grundlage kann ein vereinfachendes Single Particle Modell zur Beschreibung des elektrochemischen Verhaltens abgeleitet werden. Um die Wärmeleitung in das Kühlmedium über die Ableiter zu untersuchen wird zusätzlich ein dreidimensionales Modell der Zelle aufgebaut. Es kann mithilfe des Multi-Scale Multi-Domain-Ansatzes mit dem Single Particle Modell verknüpft werden. Es werden verschiedene Entladezyklen bei unterschiedlichen Kühltemperaturen berechnet. Anschließend wird das vereinfachte Modell entwickelt. Es basiert auf einem linearen thermischen Netzwerk, bei dem jeder Knoten einen Bereich der Zelle repräsentiert. Diese Knoten werden mit je einem Single Particle Modell verknüpft. Darüber hinaus werden Modelle für die Wärmeleitung im Ableiter und die konvektive Wärmeübertragung in der Innenströmung implementiert. Die Parameter des thermischen Netzwerks, sowie einige Parameter des Ableitermodells, werden über eine optimierende Anpassung an die im dreidimensionalen Modell berechneten Daten gewonnen. Das erhaltene reduzierte Modell wird anschließend in Modelica implementiert. Anhand eines generischen Gesamtfahrzeugmodells werden zwei unterschiedliche Fahrzyklen mit dem Zellmodell berechnet.
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In this master's thesis, a model for the electrothermal simulation of tab cooled lithium-ion battery cells is developed. The model aims to enable simple and fast calculations of battery cells within the context of thermal management in electric vehicles. The main temperature differences in the cell and the heat conduction towards the cooling system are to be represented adequately by the model. A design of a battery system at the Fraunhofer Institute or Chemical Technology serves as an application example. For the representation of the thermal behavior of the used lithium-ion battery cells, a pseudo-2D model of the cell is built up. It is calibrated with measured discharge cycles. Based on this model, a simplifying single particle model is derived. For the examination of the heat conduction over the tabs into the coolant, a three-dimensional model of the cell is built up additionally. It is combined with the single particle model using the multi-scale multi-domain approach. Multiple discharging cycles at different temperatures of the coolant are calculated. Subsequently, the simplified, fast model is developed which is based on a linear thermal network. Each node of the network is connected to a representation of the single particle model. Additional models for the heat conduction in the tab and the convective flow in the cooling pipes are built up. The parameters for the thermal network and some parameters for the tab model are gained by the use of an optimized fit to the data generated by the three dimensional model.
ThesisNote
Karlsruhe, Inst. für Technologie (KIT), Master Thesis, 2020
Author(s)
Beteiligt
Verlagsort
Karlsruhe
Language
German