A multifactorial analysis of thermal management concepts for high-voltage battery systems

Smith, Joshua GND

This research contributes to the goal of the cost reduction of vehicle electrification by addressing the thermal management of Lithium-Ion energy storage systems. Lithium-Ion secondary batteries are currently the state of the art for energy storage for vehicle electrification; however, to operate efficiently over their entire lifetime, these batteries must be held in their optimal temperature range. Concurrently, thermal management system cost must be minimized in order to guarantee the economic viability of vehicle electrification. To do so, novel thermal management concepts must be identified and compared to determine the ideal solution. This research presents a method for efficiently and reproducibly comparing diverse battery thermal management concepts in an early stage of development to assist in battery system design. The basis of this method is a hardware-based simulation model of a prismatic Lithium-Ion battery, called the Smart Battery Cell (SBC). The SBC models the thermal behavior of a prismatic automotive cell without the use of active chemistry. By removing the active chemistry, enhanced reproducibility of the experimental conditions is possible and hardware-in-the-loop integration can be realized, allowing for rapid reconditioning between experimental trials. The elimination of active chemistry reduces the safety risks associated with Lithium-Ion cells, making the use of the SBC possible with thermal management systems in an early state of developed, and without costly safety infrastructure. The integration of thermocouples leaves the thermal contact surface undisturbed, allowing the SBC to be integrated into diverse thermal management systems. Eight SBCs are combined to a reference module, as the cell module consisting of multiple cells is the current state of the art in battery system layout. By analyzing the thermal management concepts at module-level, the effects between cells can be observed (versus the analysis of a single cell), and the results from the module-level analysis can be scaled to different battery system sizes. The multifactorial analysis performed at module-level considers not only the thermal performance of the battery thermal management systems, but also the energy consumption, vehicle suitability, production complexity and economic viability. From the analysis, recommendations are made for the development of optimal thermal management systems to facilitate the cost reduction of vehicle electrification.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Kostenreduktion der Elektrifizierung im Bereich des Batteriethermomanagements. Lithium-Ionen-Batterien bilden aktuell den Stand der Technik als Energiespeicher für die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Da die Leistungs- und Alterungseigenschaften dieser Zellen stark temperaturabhängig ist, erfordern diese eine Temperierung. Zugleich ist die Wirtschaftlichkeit des Thermomanagementsystems zu gewährleisten, um die Fahrzeugpreise zu senken. Um beide diese Ziele zu erreichen, müssen neuartige Thermomanagementkonzepten identifiziert und verglichen werden. Diese Arbeit zeigt eine neuartige Methodik für den effizienten und reproduzierbaren Vergleich unterschiedlicher Thermomanagementkonzepte in einem frühen Prototypen-Stand, um die Entwicklung von Batteriesystemen zu vereinfachen. Die Methodik basiert sich auf einer sogenannten Smart Battery Cell (SBC), welche eine Hardware-Simulationsmodell einer prismatischen Lithium-Ionen-Zelle dar. Die SBC bildet das thermische Verhalten der realen Zellen ohne den Einsatz aktiver Zellchemie ab. Durch die definierte thermische Nachbildung realer Zellen wird die Reproduzierbarkeit sowie eine Hardware-in-the-Loop Integration ermöglicht, was die einen effizienteren Versuchsablauf und somit eine schnellere Durchführung von Versuchen ermöglicht. Durch die Integration von Sensorik in das Innenleben der SBC wird deren thermische Anbindungsfläche nicht verändert, was die reproduzierbare in-situ Messung in diverse Thermomanagementkonzepten ermöglicht. Zudem werden die Sicherheitsrisiken realer Lithium-Ionen-Zellen eliminiert, was deutliche Einsparungen in der Sicherheitsausrüstung mit sich bringt und zudem Experimente mit prototypischen, nicht technologisch ausgereiften Thermomanagementkonzepten ermöglicht. Acht SBCs werden zu ein Referenzmodul kombiniert, da ein Modul bestehend aus mehreren Zellen als ein Baustein für ein gesamtes Batteriesystem den aktuellen Stand der Technik darstellt. Durch die Analyse auf Modulebene lässt sich die thermische Interaktion mehrerer Zellen aufeinander ermitteln. Eine multifaktorielle Analyse auf Modulebene berücksichtigt nicht nur die thermische Eignung vom Thermomanagementsystem, sondern auch den Energieverbrauch, die Fahrzeugtauglichkeit, die Produzierbarkeit und die Wirtschaftlichkeit. Basierend auf dieser Analyse lassen sich Empfehlungen für das Thermomanagement von kosteneffizienten Thermomanagementkonzepten für elektrifizierte Fahrzeuge ableiten.

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Smith, Joshua: A multifactorial analysis of thermal management concepts for high-voltage battery systems. Göttingen 2017. Cuvillier.

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