advanced simulation technologies
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WENN SICH DIESE THERMISCHE INSTABILITÄT
AUF BENACHBARTE ZELLEN UND MODULE AUSBREITET,
KANN ES ZUR FREISETZUNG DER GESAMTEN IM BATTERIEPACK
GESPEICHERTEN ENERGIE KOMMEN, WAS BRAND
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und zum Austritt von hochgiftigem,
entzündlichem Gas führen. Wenn
sich diese thermische Instabilität
auf benachbarte Zellen und Module
ausbreitet, kann es zur Freisetzung
der gesamten im Batteriepack gespeicherten
Energie kommen, was
Brand und Explosion zur Folge haben
kann. Es ist daher unbedingt
nötig, einen Thermal Runaway aufzuhalten,
um ein Übergreifen auf
benachbarte Zellen zu verhindern.
Neueste Sicherheitsanforderungen
verlangen diesen Grad an Schutz für
Elektrofahrzeugbatterien.
Derzeit stehen nahezu alle Fahrzeug
und Batteriehersteller vor
derselben Herausforderung: Wie
können sie sicherstellen, dass sie
die neuen Vorschriften für Schutz-
und Sicherheitsmaßnahmen im Falle
eines Thermal Runaway tatsächlich
erfüllen oder sogar übererfüllen? Im
Laufe dieses und des nächsten Jahres
werden weltweit in fast allen Ländern
die „Global Transportation
Regulations“ verpflichtend, wonach
OEMs nachweisen müssen,
dass den Insassen nach dem Thermal
Runaway einer einzelnen Batteriezelle
genügend Zeit bleibt, um das
betroffene Fahrzeug sicher zu verlassen.
In Zahlen ausgedrückt wird
vorgeschrieben, dass es zwischen
der Entdeckung eines Thermal Runaway
und sichtbaren Flammen und
Feuer außerhalb der Batterie einen
Sicherheitszeitraum von mindestens
fünf Minuten geben muss.
Zur Erreichung dieses Ziels ist es
notwendig, unterschiedliche Maßnahmenkonzepte
zu prüfen, um die
sensitivsten und effektivsten Gegenmaßnahmen
zu ermitteln. Die Untersuchung
eines neuen technischen
Konzepts kann jedoch kostspielig
und zeitintensiv werden. Um den
OEMs Zeit und Kosten zu sparen,
haben wir daher bei AVL eine eigene
Methodik entwickelt, mit der
wir Thermal-Runaway-Ereignisse
und das Druckentlastungsverhalten
innerhalb eines Batteriepacks simulieren.
Damit wird eine schnelle und
UND EXPLOSION ZUR FOLGE HABEN KANN.
einfache Analyse dieser Phänomene
ermöglicht.
Bei der AVL-Methode werden Tests
durchgeführt, in denen eine Einzelzelle
in unserer selbst entwickelten
Prüfkammer charakterisiert wird.
Das Verhalten der Zelle wird dann
auf Modul- und Pack-Ebene in Simulationsmodelle
übertragen und
integriert, um die folgenden Kriterien
zu bewerten:
• Ausbreitungszeit des Thermal
Runaway
zwischen der ersten
Zelle und den benachbarten Zellen
• Strömungsverteilung der Druckentlastung
und thermisches Risiko
für andere Module oder die
Pack-Dichtung
• Schmelzen des Gehäuses, der Abdeckung
oder der Hochspannungsisolation,
was zu elektrischen Störungen
führen würde
• Verteilung der toxischen oder
entzündlichen Gase innerhalb
des Packs
Für diese Simulationen verwenden wir unsere thermodynamische Modellierungssoftware
AVL FIRE™ M. Dieses dynamische Tool stellt mehrere
einzigartige Funktionen bereit, mit denen schädliche und extreme Bedingungen
präzise nachgebildet werden können. Das Tool ermöglicht die
Untersuchung
von Ereignissen, wie beispielsweise das Schmelzen von Bauteilen,
wie zum Beispiel dünnen Aluminiumabdeckungen oder Plastikteilen,
und es ist auch möglich, den Einfluss auf die Gasströmungsverteilung
vor und nach dem Schmelzen der Batteriepackabdeckung zu bewerten.
Diese Art der Simulation bietet zahlreiche Vorteile, von denen einige auf
keine andere Weise realisierbar wären. Man gewinnt zum Beispiel Einblick
in interne Phänomene, die während eines Brands im Batteriepack vorherrschen.
Derartiges Wissen durch Untersuchung des Prüflings nach erfolgtem
Test zu erlangen ist unmöglich, da das Pack in solchen Fällen meist zur
Gänze zerstört wird. Zusätzlich ermöglicht dieser Ansatz die Durchführung
von Sensitivitätsanalysen für potentielle Gegenmaßnahmen, denn die Erfahrung
hat gezeigt, dass bereits minimale Änderungen einen signifikanten
Einfluss auf das Gesamtverhalten im Falle eines Thermal Runaway haben
können. Darüber hinaus ist es über die Simulation möglich, die Effektivität
von feuerhemmenden Materialien rasch und kosteneffektiv zu untersuchen.
Mit der Simulation können OEMs herausfinden, wie sich im Falle eines
Thermal Runaway das Systemverhalten ändert und ob der Prozess auch auf
Zellen außerhalb der Prüfstandskonfiguration übergreift. Diese Tests führen
zur völligen Zerstörung des Prüflings und sind nur mit erheblichen Kosten
durchführbar. Somit bietet die Simulation Zeit- und Kostenvorteile
und erhöht vor allen Dingen die Sicherheit von Elektrofahrzeugen.