Ein Simulationsmodell für die Crashauslegung von Lithium-Ionen-Batterien auf Zell- und Modulebene

Die Elektromobilität ist eine Möglichkeit, um die CO2 Emissionen in der Nutzungsphase eines Fahrzeugs zu reduzieren. Für die Antriebsbatterie gelten hohe Sicherheitsstandards, die bei der Entwicklung eines Elektrofahrzeugs abgesichert werden müssen. Damit die Anforderungen abgesichert werden können, wird in den frühen Phasen der Entwicklung auf Simulationsmodelle zurückgegriffen, die das mechanische Verhalten einer Batterie abbilden können. In der vorliegenden Arbeit wird ein Simulationsmodell für die Crashsimulation von Batterien auf Zell- und Modulebene entwickelt. Zu Beginn wird das Verhalten eines Prüfstands für mechanische Zell- und Modulversuche analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass das Prüfstandsverhalten die Versuchsergebnisse beeinflussen kann. Es wird herausgearbeitet, wie der Einfluss des Prüfstands durch eine angepasste Versuchsdurchführung reduziert werden kann. Anschließend wird die Versuchsdatenbasis erläutert. Auf Zellebene werden die Versuche beschrieben und neue Erkenntnisse analysiert. Es kann festgestellt werden, dass bei Versuchen mit einem Zellverbund bestehend aus drei Zellen ein Kurzschluss stets in einer der äußeren Zellen zuerst auftritt. Mit den anschließenden CT-Scans der deformierten Zellen wird die Ursache dafür untersucht. Nach der Vorstellung der Versuche wird das Simulationsmodell auf Zellebene erstellt. Alle Erkenntnisse aus den CAD-Daten und den CT-Scans werden dafür zusammengeführt. Nach der Validierung auf Zellebene wird das Modell auf die Modulebene erweitert. Auf Modulebene wird das Zellmodell nicht mehr angepasst. Für einen Abgleich der Modulversuche werden lediglich die Eigenschaften einzelner Bauteile des Moduls verändert. Insgesamt kann mit dem vorliegenden Simulationsmodell sowohl die Zell- als auch die Modulebene gut nachgebildet werden.