Einfluss lateraler Temperaturinhomogenitäten auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batteriezellen in der automobilen Anwendung

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss lateraler Temperaturinhomogenitäten auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIBs) in der automobilen Anwendung untersucht. Grundlage für die Untersuchung bilden, entsprechend dem Trend zu immer höheren Engiedichten, nickelreiche NMC622 Batteriezellen im Pouchformat mit einer elektrischen Kapazität von 37,5Ah. Ausgehend von den aus der automobilen Anwendung abgeleiteten thermischen und elektrischen Randbedingungen werden experimentelle und simulative Untersuchungen zum Alterungsverhalten durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen werden geeignete elektrochemische und thermischeMethoden zur Bestimmung des Kapazitäts- und Leistungsverlust, der dominanten Alterungsmechanismen und -moden und deren örtliche Auflösung ausgewählt. Der Einfluss von Cell-to-Cell Variationen (CtCV) wird durch experimentelleUntersuchungen mit mehreren Batteriezellen berücksichtigt. Ausgehend von den experimentellenUntersuchungen wird ein Alterungsmodell zur Beschreibung des Kapazitäts- und Leistungsverlust, resultierend aus den dominanten Alterungsmoden, abgeleitet. Ergänzend wird ein multiphysikalisches High-DimensionalModel (HDM) einer Batteriezelle und eines Batteriemoduls vorgestellt zur Beschreibung zeitlich und örtlich aufgelöster Batteriezustände. Zur Beschleunigung der Rechenzeit des HDM wird mittels der Proper Orthogonal Decomposition (POD) ein Reduced-Order Model (ROM) abgeleitet. Durch die Integration des Alterungsmodells in entweder das HDM oder das ROM sind Analysen örtlich aufgelöster Batterie- und Alterungszustände bei realen Szenarien möglich. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass laterale Temperaturinhomogenitäten zu einer beschleunigten Abnahme der Lebensdauer führen, wenn die elektrische Belastung in Form der C-Rate moderat bis gering ausfällt und die Alterungsprozesse nicht dominiert.Weiter führen überlagerte Alterungsmoden in Form eines Verlusts zyklisierbarem Lithiums und dem Verlust von Aktivmaterial zu einem nichtlinearen Alterungsverlauf. Aus der örtlich aufgelösten Untersuchung der übertragenen Wärmen sowie der mikroskopischen Untersuchungen wird zusätzlich bestätigt, dass die Alterung entsprechend der Temperaturinhomogenität ebenfalls örtlich aufgelöst stattfindet. Das abgeleitete Alterungsmodell in Kombination mit sowohl dem HDM als auch dem ROM ist in der Lage diese Phänomene valide abzubilden. Unter der Verwendung des ROM ist dabei eine Rechenzeitbeschleunigung um ca. den Faktor 100 möglich. Schließlich werden anhand eines realen Fahrzyklus und einem anspruchsvollem Auslegungszyklus die unterschiedlichen Auswirkungen auf die Alterung eines charakteristischen Batteriemoduls im Gesamtfahrzeugkontext aufgezeigt. Das Thermomanagementsystem entspricht einem klassischen Konzept, bei dem die Unterseite des Batteriemoduls mittels einer flüssigkeitsdurchströmten Kühlplatte temperiert wird. Die Gesamtfahrzeuguntersuchungen zeigen, dass bei der Verwendung desselben Thermomanagementsystems beim Auslegungszyklus die mittlere Batteriemodultemperatur später die Zieltemperatur erreicht und eine erhöhte Temperaturinhomogenität entsteht. Dies führt schließlich zu einer beschleunigten Abnahme der Lebensdauer und zeigt die Notwendigkeit der Auslegung anforderungsspezifischer Thermomanagementlösungen auf.