Experimentelle und numerische Untersuchungen der Brandausbreitung von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind die marktdominierende Technologie im Bereich der Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen sowie für stationäre Batteriespeichersysteme und somit ein wesentlicher Bestandteil der Energie- und Verkehrswende. Im Schadensfall kann es infolge des Thermischen Durchgehens zum Brand der Batterie kommen. Um Akzeptanz und Vertrauen in die Technologie zu fördern, müssen die Brandrisiken von LIB untersucht und analysiert werden.
Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine Ingenieurmethode des Brandschutzes, die unter anderem aufgrund steigender Rechenressourcen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer validen und belastbaren Modellierung der Wärme- und Stofffreisetzung beim Brand einer Lithium-Ionen-Batterie, die in CFD Simulationen verwendet werden kann.
Die Wärmefreisetzungsrate (HRR) ist eine zentrale Größe sowohl zur experimentellen Beurteilung von Brandrisiken als auch Eingangsgröße für die CFD-Brandsimulation mit dem Volumenquellmodell. Eine möglichst genaue Bestimmung der HRR ist daher essenziell zur Charakterisierung von LIB-Bränden. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit zwei verschiedene LIB Typen in Brandversuchen untersucht und die HRR in einem eigens dafür entwickelten Versuchsstand sowohl mit der Oxygen Consumption Calorimetry (OCC) als auch mit dem Sensible Enthalpy Rise Approach (SERA) gemessen. Beide Methoden werden auf ihre Eignung zur Messung der HRR großskaliger LIB-Brände hin untersucht und miteinander verglichen.
CFD-Simulationen mit dem Volumenquellmodell sowie einem auf den Mechanismen des Thermischen Durchgehens basierenden empirischen Batteriemodell werden anhand der Simulation eines Brandversuchs validiert und der Einfluss bestimmter Parameter auf das Ergebnis untersucht.
In Bezug auf die zentrale Zielstellung dieser Arbeit, eine valide und belastbare Modellierung der Wärme- und Stofffreisetzung beim Brand einer Lithium-Ionen-Batterie zu entwickeln, können die Ergebnisse als Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen dienen. Insbesondere eine Ausweitung der experimentellen Datenbasis von Batteriebränden, vor allem für großskalige Batteriesysteme, sollte dabei ins Zentrum künftiger Forschung gestellt werden. Eine verlässliche Bestimmung derWärmefreisetzungsrate unterschiedlicher Batterien bleibt weiterhin die Voraussetzung für die Validierung von Simulationen. Zur Modellierung von Batteriebränden ist eine Kombination der beiden in dieser Arbeit verwendeten Ansätze denkbar, beispielsweise in Form einer Kalibrierung der Eingangsparameter für das Batteriemodell an der gemessenen HRR oder durch die Verwendung von Impulsquellen im Volumenquellmodell.