Konstruktive Auslegung und Optimierung von Zellmodulen mittels multiphysikalischer Simulation
Die Anzahl an Neuzulassungen von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) nimmt stetig zu. In diesen werden vor allem Lithium-Ionen-Zellen aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte eingesetzt. Die elektrisch zusammengeschalteten Zellen in den Modulen des Batteriesystems degradieren bzw. altern sowohl durch Nutzung als auch Lagerung aufgrund zellinterner Degradations-/Alterungsprozesse. Dies drückt sich aus unter anderem durch ein zunehmendes, irreversibles Dickenwachstum sowie einen Kapazitätsverlust und Innenwiderstandanstieg der Zellen und wird als gekoppelte, mechanisch-elektrochemische Zelldegradation bezeichnet. Die Ausprägungsstärke der zellinternen Alterungsprozesse ist unter anderem bedingt durch die mechanischen und thermischen Betriebsbedingungen der Zelle. Die Integration einer Zelle in ein Modul stellt somit eine Verschärfung ihrer Betriebsbedingungen dar, da sie in mechanische und thermische Wechselwirkungen mit ihren Nachbarzellen und der Modulkonstruktion tritt. Schaumartige Polsterkissen werden daher zwischen den Zellen eingesetzt, um unter anderem die mechanischen Wechselwirkungen zu reduzieren. Bei einem ungenügenden, mechanischen Design des Zellmoduls, können die verschärften Bedingungen eine Beschleunigung der gekoppelten, mechanisch-elektrochemischen Degradation der Zellen zur Folge haben. Dies kann bei starkem Anschwellen aller Zellen eine Deformation des Zellmodulgehäuses hervorrufen, die eine Komponente der mechanischen Degradation des Zellmoduls darstellt. Darüber hinaus kann ein ungenügendes Design über Lebensdauer zunehmende mechanische Druckgradienten hervorrufen, die eine weitere Komponente der mechanischen Degradation darstellen. Eine Streuung des elektrochemischen Gesundheitszustands der Zellen kann mit diesen Gradienten einhergehen. Aus diesen Gründen liegt der Schwerpunkt der Dissertation auf der Optimierung von Zellmodulkonstruktionen zur Verbesserung ihres gekoppelten, mechanisch-elektrochemischen Degradationsverhaltens unter Betrachtung der zellinternen Degradationsprozesse. Die Optimierungen werden in dieser Arbeit anhand des mechanischen Zellmodulverhaltens über kalendarischer Lebensdauer bewertet. Dies ermöglicht die Anzahl der elektrochemischen Einflussparameter und somit die Komplexität zu reduzieren und dabei trotzdem Optimierungen des mechanischen Designs bzgl. Modulausdehnung sowie Druckhöhe, -anstieg und -gradienten im Modul grundlegend zu bewerten. Erstmalig liegt der Fokus einer wissenschaftlichen Arbeit auf der Untersuchung dieser Themenstellung. Aufgrund der zeitlichen Länge und Kosten von Lebensdauerversuchen ist für die Betrachtung dieser Problemstellung ein gekoppeltes, multiphysikalisches Simulationsmodell aufgebaut worden. Es bildet Zellmodule zeit- und ortsaufgelöst ab, basierend auf einer eigens dafür entwickelten, neuartigen Methode. Unter anderem durch die Berücksichtigung der gekoppelten, mechanisch-elektrochemischen Zell- und Zellmoduldegradation bilden Methode und Modell das Zellmodulverhalten in einer nach dem aktuellen Stand der Technik noch nicht vorhandenen, physikalischen Tiefe und Umfang ab. Diese sieht vor Zellmodule durch einen hierarchischen, objekt-orientierten Modellierungsansatz auf mehreren Skalenebenen, welche auf Elektroden-, Zell- und Zellmodulebene liegen, zu simulieren. Die Prädiktionsfähigkeit des Modells wurde sowohl bezüglich des ladezustandsabhängigen Verhaltens innerhalb eines Zyklus als auch über kalendarischer Lebensdauer mit experimentellen Untersuchungen in definierten Testräumen erfolgreich validiert. Primär wurde dabei durchgehend das gleiche Pouch-Zellmodul betrachtet. Im Zuge der kalendarischen Validierungsmessungen wurde das Modell nicht nur auf Modul-, sondern auch auf Zell- und Elektroden-Ebene mit Hilfe von Zellöffnungen und -analysen validiert. Es ist hervorzuheben, dass das geschaffene Modell nicht nur einen enormen Kosten-, sondern auch Zeitvorteil mit sich bringt. Denn das Erzeugen von Ergebnissen durch reale Lebensdauertests erfordert durchschnittlich ca. 12000-mal so viel Zeit wie die Berechnung mittels Modells. Dies kommt der Reduzierung eines für 100 Tage ausgelegten experimentellen Tests auf nur ca. 12 Minuten gleich. Im Anschluss erfolgte die Bearbeitung des Dissertationsschwerpunkts. Dazu wurde mittels des Simulationsmodells systematisch ermittelt, wie das untersuchte Pouch-Zellmodul konstruktiv ausgelegt werden muss, um eine optimierte, mechanische Alterung über kalendarischer Lebensdauer zu erreichen. Hierzu wurde ein gradientenbasiertes Optimierungsverfahren auf Basis eines vollfaktoriellen, statistischen Versuchsplans angewandt. Ziel war dabei die für eine Verbesserung des mechanisches Alterungsverhaltens über kalendarischer Lebensdauer jeweils optimalen Ausprägungskombinationen der konstruktiven Einflussparameter zu ermitteln. Bei isolierter Betrachtung der zu optimierenden, mechanischen Zielgrößen konnte mittels Anwendung des Optimierungsverfahrens zunächst für jede Größe die Richtung ermittelt werden, in welche die Ausprägungskombinationen der konstruktiven Einflussparameter die größten Potentiale bieten zur Reduzierung der mechanischen Zielgröße. Bei einer gleichzeitigen Verringerung der Polsterkissendicke und Erhöhung der Gehäusesteifigkeit ist das Potential die Zellmoduldeformationen zu verringern am größten. Unter der Voraussetzung, dass die Summe der Dicken der eingesetzten Polsterkissen im nicht komprimierten Zustand konstant bleibt, hat eine Polsterkissenanzahlerhöhung keinen Einfluss auf das Gesamtdeformationsverhalten. Betrachtet man den Druckgradienten im Modul als zu optimierende Zielgröße, zeigt die Studie, dass eine gleichzeitige Erhöhung der Polsterkissendicke und Gehäusesteifigkeit sich positiv auf den Druckgradienten auswirkt. Dieser wird ausgedrückt durch den neu eingeführten Stressinhomogenitätskoeffizienten als Größe der Streuung bezogen auf den Mittelwert der Zelldruckkräfte. Eine Polsterkissenanzahlerhöhung hat sogar eine weitere Verringerung des Druckgradienten zur Folge. Die Höhe der mechanischen Zellbeanspruchung, ausgedrückt durch das arithmetische Mittel der pro Zelle gemittelten Druckkräfte, kann durch die gleichzeitige Reduktion der Polsterkissendicke und Zellmodulgehäusesteifigkeit vermindert werden. Werden die Anzahl der eingesetzten Polsterkissen erhöht, sinkt die Zellbeanspruchung nur leicht. Die gleichen Zusammenhänge gelten für den Anstieg der mechanischen Zelldruckbeanspruchung. Für eine ganzheitliche Bewertung der konstruktiven Auslegung des Zellmoduls bezogen auf die mechanische Alterung über Lebensdauer, ist der Koeffizient für mechanische Zellmodulalterung eingeführt worden, der alle betrachteten, mechanischen Zielgrößen berücksichtigt. Durch Berechnung des Koeffizienten für mechanische Zellmodulalterung für alle betrachteten Designs der systematischen Untersuchungsstudie, konnte eine gegenüber dem Referenzdesign optimierte Konstruktion ermittelt werden. Das Ergebnis beinhaltet nach 100 Tagen kalendarischer Alterung bei verschärften Lagerbedingungen eine Verringerung der Gesamtdeformationen des untersuchten Zellmoduls um ca. 7-Prozent. Dabei wird gleichzeitig eine Reduzierung des arithmetischen Mittels der pro Zelle gemittelten Druckkräfte um mehr als 12-Prozent und des dazugehörigen Anstiegs um mehr als 13-Prozent erreicht. Zugleich hat sich der Stressinhomogenitätskoeffizient um nur ca. 4-Prozent erhöht. Zusammenfassend konnte die stärkste Reduzierung des Koeffizienten für mechanische Zellmodulalterung durch die Anpassung folgender konstruktiver Einflussgrößen erreicht werden: - Verringerung der Dicke des Polsterkissens - Erhöhung der Anzahl der Polsterkissen - Erhöhung der Zellmodulgehäusesteifigkeit
The number of newly registered, battery-driven electric vehicles have been rapidly increasing in recent years. The high-voltage batteries of these vehicles are equipped with lithium-ion-cells due to their high energy and power density. The electrically connected cells, which are integrated into the modules of the battery systems, degrade because of usage and storage due to cell-internal degradation processes. As a result of these processes the cells experience an advancing, irreversible thickness increase as well as capacity loss and internal resistance growth, which is described as a coupled, mechanical-electrochemical cell degradation. Amongst other things, the evolution strength of the cell-internal degradation processes depends on the mechanical and thermal operation conditions of the cells. Therefore, the integration of cells into a module represents an intensification of these operation conditions since the cells mechanically and thermally interact with their neighbouring cells and the module construction. One of the reasons for positioning foamlike cushion pads between the cells is the reduction of mechanical interactions between them. If the mechanical design of a battery module is insufficient, the aggravated boundary conditions of the cells can lead to an acceleration of the coupled, mechanical-electrochemical degradation behaviour of the cells. This can lead to an increased swelling of them. Consequently, a strong swelling of the cells can result in a deformation of the module housing, which is a component to the mechanical degradation. Over lifetime, an insufficient mechanical design can also lead to mechanical pressure gradients inside the module, which is another component to mechanical degradation. The gradients in turn can lead to an uneven distribution of the electrochemical health condition of the cells. Due to the listed reasons, the main focus of the dissertation is placed on the optimization of battery module designs for improving their coupled, mechanical-electrochemical degradation behaviour, considering cell-internal degradation processes. The optimizations in this study are assessed by means of the mechanical battery module behaviour over calendar life. Doing so, the number of electrochemical influence parameters and therefore the complexity are reduced, but still maintaining the opportunity to fundamentally assess optimizations of the mechanical design of battery modules regarding module deformation as well as pressure level, increase and gradients inside the module. For the first time, the focus of a scientific work is placed on the investigation of this topic. Due to the length and costs of lifetime tests, a coupled, multiphysical simulation model has been developed to investigate the topic. The model maps the battery module behaviour locally and temporally resolved and is based on a specifically designed, novel method. Amongst other things, the consideration of the coupled, mechanical-electrochemical cell and module degradation behaviour allows the method and model to map the battery module behaviour in an according to the latest state of the art unprecedented, physical depth and extent. The method and model are based on a hierarchical, object-oriented modelling approach, which maps the module behaviour on multiple time and size scales, which are on electrode, cell and module level. The ability of the model to predict the locally resolved, multiphysical battery module behaviour was validated against experimental testing results for state of charge-dependent behaviour during a cycle as well as calendar life behaviour in defined test spaces. Throughout this study, mainly the same pouch module was examined. In the course of calendrical validation measurements, the model was not only validated on battery module, but also cell and electrode level by cell openings and analyses. It must be stressed that the newly developed model not only comes with an enormous financial, but also temporal benefit. Generating measurement data by real experimental testing takes on average 12000 times longer as in comparison to conducting a simulation by the newly developed model. This means an experimental calendar life test of 100 days is reduced to only about 12 minutes of running the simulation model. After finishing the model development, the processing of the main focus of the dissertation began. For this reason, it was systematically investigated by application of the multiphysical model, how the examined pouch battery module needed to be mechanically designed to reach an optimized, mechanical ageing behaviour over calendar life. Therefore, a gradient based optimization procedure, resting upon on a full factorial, statistical testing plan, was applied. The aim of the procedure was to determine the optimal combination of characteristic values of the influence design factors for optimization of the mechanical ageing of the battery module over calendar life. When considering the target, mechanical parameters to be optimized in isolation, by application of the optimization procedure it was possible to observe the direction for each target parameter, in which the combination of characteristic values of the influence parameters offer the greatest potential for reducing the mechanical target parameters. Namely, when at the same time the foam thickness is reduced and the module housing stiffness is increased, the potential for reduction of battery module deformations is the highest. Provided that the sum of the thickness of applied swelling foams in uncompressed state stays constant, there is almost no effect of an increase of the foam number on the total deformation behaviour of the module. Whereas, when the foam thickness and the module housing stiffness are simultaneously increased, this measure has a positive effect on the mechanical pressure gradient inside the module. This is expressed by the newly introduced coefficient for stress inhomogeneity, which represents the spread related to the mean value of the cell pressure forces. An increase of the number of applied foams leads to a further reduction of the coefficient for stress inhomogeneity. The level of mechanical cell stress, expressed by the arithmetic mean of cell pressure forces, can be reduced by simultaneously reducing the uncompressed foam thickness and the module housing stiffness. Here, an increase of the number of applied foams leads only to a slight decrease of the mechanical cell stress. The same relation also applies to the increase of mechanical cell stress. For a holistic evaluation of the battery module design regarding the mechanical ageing over lifetime, the novel coefficient for mechanical battery module ageing has been introduced, which considers all the investigated, mechanical target parameters. By calculation of the coefficient for mechanical battery module ageing for all investigated designs of the systematic study, an optimized design in comparison to the reference design could be identified. The result includes a reduction of the total module deformation of the examined module by almost 7%, while simultaneously reducing the arithmetic mean of the per cell averaged pressure force by more than 12% and its increase by more than 13% after 100 days of calendric ageing at stressful storage conditions. At the same time, the coefficient for stress inhomogeneity is only slightly increased by 4%. In summary, the strongest reduction of the coefficient for mechanical battery module ageing was achieved by the adaption of the following design parameters: - Reduction of foam pad thickness - Increase of number of foam pads - Increase of battery module housing stiffness
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