Onboard thermal analysis of battery systems using reduced order models

Thermomanagement von Batteriesystemen von ist essentiell um deren Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit in elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu gewährleisten. Um das thermische Verhalten des Systems zu überwachen, existieren es verschiedene Möglichkeiten. In der Regel werden physische Temperatur- und Spannungssensoren zur Überwachung und Steuerung des Batteriesystems eingesetzt. Die Nachteile dieser Sensoren sind, dass es nicht möglich ist die Temperaturen im Inneren der Zellen zu messen und die Sensoren die Kosten und die Komplexität des Systems  erhöhen. Darüber hinaus können die Temperaturen in einem Batteriesystem mit Hilfe komplexer Simulationsmodelle mith ohem Rechenaufwand analysiert werden. Diese Simulationsmodelle sind jedoch nicht echtzeitfähig und können nicht im Fahrzeug auf dem Controller eingesetzt werden. Ein alternativer Ansatz besteht darin, ein echtzeitfähiges Modell des Batteriesystems zu erstellen, das beliebige Temperaturen im System berechnen und auf dem Controller des Batteriemanagementsystems (BMS) betrieben werden kann.
In dieser Arbeit wird ein Modell reduzierter Ordnung eines Batteriesystems entwickelt, das relevante Temperaturen des Systems berechnet und in der Lage ist, das elektrische Verhalten aller Hochspannungsgeräte abzubilden. Weiterhin ist es möglich auf Grund der geringen Größe das Modell in das Fahrzeugsteuergerät zu integrieren. Ziel ist es, ein zuverlässiges Modell zur Überwachung des thermischen Verhaltens des Batteriesystems zu schaffen, das herkömmlichen Sensoren überlegen ist. Zunächst wird ein hochdimensionales Modell (HDM) des gesamten Batteriesystems entwickelt und mit Testdaten validiert. Das HDM wird in ein elektrisches, ein thermisches Modell und ein Kühlplattenmodell aufgeteilt, die später durch Eingangs- und Ausgangsparameter gekoppelt werden. Für das lineare thermische Modell und das nichtlineare Kühlplattenmodell, das das nichtlineare Verhalten der Kühlflüssigkeit berücksichtigt, werden verschiedene Modellreduktionsmethoden untersucht. Das thermische Modell berechnet alle relevanten Temperaturen im Batteriesystem, einschließlich der Batteriezellen. Das lineare Zustandsraummodell, welches aus dem thermischen Modell abgeleitet ist, wird mit Hilfe von linearen Modellreduktionsansätzen, wie z.B. balanciertem Abschneiden und rationalen Krylov-Methoden, reduziert. Das elektrische Modell berechnet die Wärmeabgabe in den elektrischen Komponenten, sowie die Spannung und den Ladezustand der Batteriezellen. Das Kühlplattenmodell zielt darauf ab, die Wärmeableitung aus dem Batteriesystem in die Kühlflüssigkeit abzubilden. Dazu wird ein datengetriebenes Modell aus den Simulationsdaten abgeleitet. Dazu werden zunächst mittels einer statistischen Versuchsplanung Daten generiert und anschließend ein datengetriebenes Modell trainiert. Die Temperaturen des finalen Modells bestehend aus den drei Teilmodellen werden mit Messungen validiert und zeigen eine gute Übereinstimmung mit den realen Temperaturwerten. Die Temperaturen der Batteriezellen variieren in den Messungen von -10°C bis 50°C. Die mittlere Abweichung zwischen Simulation und Messung bei den Batteriezellen, die erreicht werden konnten, liegt zwischen -3,5 und 1,1K in den verschiedenen untersuchten Szenarien. Das Modell kann weiterhin in Echtzeit simuliert werden.