T-Cell Thermischer Batteriezellen-Dummy

Bei der Entwicklung von Batterien für Fahrzeugantriebe rückte die Thermodynamik, bzw. das Thermomanagement, zuletzt stark in den Vordergrund. Das liegt daran, dass die gebräuchlichen Lithium-Ionen-Zellen in einem engen Temperaturfenster betrieben werden müssen, und daran, dass es vor allem beim sogenannten Schnellladebetrieb zu einer starken Wärmeentwicklung kommt. Die so wichtige Ladedauer ist somit direkt von der Leistung des Kühlsystems abhängig.

Die experimentelle Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien ist schwierig, da man an die elektrochemischen Prozesse gebunden ist, obwohl die bei Untersuchungen zum Thema Kühlung keine direkte Relevanz haben. Außerdem sind Li-Ion-Batterien im Brandfall äußerst unangenehm, was erhebliche Sicherheitsvorkehrungen erfordert.

Ziel des Projektes T-Cell ist die Entwicklung eines thermischen Dummies ('Thermische Zelle') einer Li-Ion-Zelle, bei dem die Wärmeentstehung durch Heizelemente simuliert wird. So ein Dummy erlaubt die kontrollierbare, reproduzierbare und gefahrlose Durchführung experimenteller Untersuchungen zum Thema Batteriekühlung. Schwerpunkt im Projekt liegt dabei bei der Anwendung auf Modulebene, also der Zusammenfassung mehrere Zellen.

Eine thermische Zelle ermöglicht Untersuchungen der Wärmeabfuhr am Gehäuse der Zelle. Somit könnten innovative Kühlungskonzepte auf Zell-Ebene und Modul-Ebene untersucht werden.

Das Projekt  wird in Kooperation mit dem Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik durchgeführt und im Rahmen des Programms "Mobilität der Zukunft" von der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) gefördert.

Mit Halbzeit dieses einjährigen Projektes liegt ein erster Prototyp vor, der die ursprünglichen Erwartungen übertreffen konnte. Es ist gelungen, eine Leistungselektronik, die sich von außen steuern lässt, ins Innere des Dummies einzubauen. Die Kommunikation über ein serielles Protokoll ist dabei der Stromversorgung überlagert. Somit sind für den Dummy nur zwei elektrische Kontakte nötig, womit es möglich ist, die äußere Form einer echten Zelle exakt nachzubilden. Es sind keine zusätzlichen Leitungen für die Kommunikation nötig. Die Kommunikation erfolgt über das U-ART Protokoll. Die Heizung wurde als Kupferwicklung ausgeführt, die auf einem integrierten Spulenkörper sitzt. Dieser wurde im 3D-Druck hergestellt und dient ausserdem als Träger der Elektronik und als obere Abschlusskappe. Die äußere Hülle musste, mangels Verfügbarkeit, im Haus gefertigt werden. Dafür wurde Stahlblech mit 0,25 mm Dicke verwendet, das mit Laser geschweißt wurde

Parallel zur Entwicklung des Dummies wurde ein kompakter, mobiler und autarker Versuchsaufbau entwickelt. Er dient zur Durchführung der späteren Versuche mit dem Dummy, sowohl auf Zellebene, als auch auf Modulebene. Der Versuchsaufbau hat eine eigene Einheit zur Steuerung und Datenerfassung. Der Aufbau erlaubt insbesondere Experimente mit Flüssigkeitskühlung durchzuführen.

Die ersten Messungen mit dem Prototyp sind abgeschlossen. Es konnte gezeigt werden, dass der Dummy die Außentemperatur einer echten Zelle in einem Ladezyklus mit 3C reproduzieren kann. Somit ist die Dimensionierung und Kontrollierbarkeit des Dummys nachgewiesen.

Die weiteren Tätigkeiten umfassen den Aufbau der SiL-Umgebung, bei der die Wärmeentstehung einer echten elektrochemischen Zelle simuliert wird, während der Wärmeübergang nach außen das Ergebnis der Messungen mit dem Dummy ist. Diese SiL-Umgebung ist zentraler Bestandteil der vorgesehnen Messmethodik. Außerdem soll die Elektronik, und auch die Heizeinrichtung vebressert und weiter miniaturisiert werden, um die Flexibilität in Richtung anderer Zellbauformen zu erhöhen.