Geometrie

Abbildung 1: Geometrie

In diesem Artikel wird eine Panasonic NCR18650B Batterie vereinfacht als ein Zylinder mit einem Durchmesser von 17,4 mm betrachtet. Um diesen Zylinder herum wird ein Mantel mit einer Dicke von 0,4 mm gelegt, wodurch die Batterie einen Gesamtdurchmesser von 18,2 mm erhält. Die Höhe der Batterie beträgt 65 mm.

Die Batterie wird in der Mitte eines Bereichs mit einer Größe von [LxBxH] = [1m, 1m, 1m] platziert.  Für die Wände der Domäne gelten adiabatische Randbedingung.

Mesh

Die Batterie und der Mantel werden als Festkörper modelliert, während der umgebende Bereich als Gas modelliert wird. Mit Hilfe des polyedrischen Netzes in Simcenter STAR CCM+ 2021.1 wird ein konformes Netz zwischen dem Festkörper und dem Gasbereich erzeugt. Für den Mantel wird ein dünnes Netz mit vier dünnen Schichten verwendet, um die Anzahl der Zellen in der Domäne zu begrenzen. Auf dem Mantel werden Prismenschichten hinzugefügt, um die thermische Grenzschicht und den Wärmeübergang in die Domäne korrekt aufzulösen. Schnittstellen zwischen der Batterie, dem Mantel und der Domäne sorgen dafür, dass Konvektion zwischen den drei Teilen stattfindet.

Abbildung 2: Netz im Bereich, Mantel und Batterie

Physik

In dieser Simulation werden drei Kontinua erzeugt. Eines für die Luft, eines für die Batterie und eines für die Hülle.

Die Luft wird als laminares ideales Gas modelliert. Da Wärmeübertragung vorhanden ist, wird die Energiegleichung zu den bestehenden Gleichungen hinzugefügt und mit Hilfe des Modells einer segregierten Flüssigkeit gelöst. Um die korrekte Wärmeverteilung im gesamten Bereich zu modellieren, wird auch die Schwerkraft berücksichtigt.

Die Batterie und die Hülle werden beide als Festkörper mit dem segregierten Festkörper-Energie-Modell modelliert.

Basierend auf den Informationen aus der oben genannten Arbeit (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017) werden Materialdaten für jedes der drei Teile angesetzt, wie in der Tabelle unten gezeigt.

Die Wärmeleitfähigkeit der Batterie wird in die radiale Komponente (3 W/m*K) sowie die tangentiale und axiale Komponente (28,05 W/m*K) zerlegt.

Die Parameter für die Hülle entsprechen den Eigenschaften für Aluminium und PVC, wie sie in der Arbeit verwendet wurde.

Tabelle 1: Materialparameter (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017)

Das Modell wird mit einer Temperatur von 25˚C initialisiert.

Wärmequelle

Für die Batterie wird eine Gesamtwärmequelle verwendet, wobei die Wärmeproduktion mit folgender Gleichung berechnet wird:

In dieser Gleichung ist I der Lade-/Entladestrom in [A], OCV ist die Leerlaufspannung, V ist die Spannung der Batterie, T_b ist die Temperatur der Batterie und dOCV/dT ist ein entropischer Term in [V/K].

Für die Wärmeproduktion der Batterie werden die Testdaten aus (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017) verwendet. In den drei Tabellen unten sind die getesteten Daten für OCV, V und dOCV/dT als Funktion der Entladerate der Batterie dargestellt. Der Einfluss der Temperatur der Batterie wird für die Parameter OCV und dOCV/dT in dieser Simulation vernachlässigt, was bedeutet, dass die Entladerate nur eine Funktion der Zeit ist.

Der Strom der Batterie beträgt 3,25A, der in Abhängigkeit von der Entladerate skaliert wird, um den Parameter für I zu erhalten. Der Batterietemperaturterm in der Gleichung wird direkt von der Batterietemperatur in der Simulation implementiert.

Abbildung 3: Eingabe für die Wärmeerzeugungsgleichung (Gümüsşu, Ekici, & Köksal , 2017)

Ergebnisse

Es wurden drei verschiedene Entladeraten simuliert, um sie mit den Testdaten vergleichen zu können. Die Entladeraten sind 0,5C (I = 1,625A), 1,0C (I = 3,25A) und 1,5C (I = 4,875A). In den drei Diagrammen unten ist der Temperaturanstieg der Batterien über die Zeit dargestellt und mit den experimentellen Daten verglichen. In diesem Diagramm ist zu erkennen, dass ein vernünftiger Vergleich für 1,0C und 1,5C gemacht werden kann, aber der Unterschied bei einer Entladerate von 0,5C ziemlich groß ist.

Abbildung 4: Experimentelle Ergebnisse versus Simulationsergebnisse

In der folgenden Tabelle ist die Abweichung der Temperatur beim letzten (gemessenen) Zeitschritt und der maximale Fehler angegeben. Aus dieser Tabelle kann gefolgert werden, dass die beste Gesamtanpassung für eine Entladungsrate von 1,0C gefunden wird. Die Abweichung für die Endtemperatur beträgt maximal nur 3,5 %, während der maximale Fehler innerhalb des Bereichs für die Entladerate von 1,5 C mit einem Fehler von 11,6 % ermittelt wird.

Tabelle 2: Ergebnisse

In den drei folgenden Diagrammen ist der Temperaturanstieg über die Zeit, im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen zu erkennen. Diesmal wird jedoch die Wärmeerzeugung, Q, auf der rechten Achse hinzugefügt. Anhand der Wärmeerzeugung kann man erkennen, dass die CFD-Simulation im Vergleich zum Versuch die Tendenz hat, langsamer auf Änderungen der Wärmeproduktion zu reagieren.

Insbesondere bei einer Entladerate von 0,5C führt dies dazu, dass der flache Teil der Kurve aus der Simulation (zwischen 40 und 100 Minuten)  im Vergleich zum Test bei einer deutlich höheren Temperatur liegt. Dies verursacht aber auch den geringen Fehler bei der Endtemperatur, da die Steigung der Kurve bei der Simulation im Vergleich zum Test am Ende geringer ist.

Abbildung 5: Experimentelle Ergebnisse mit Simulationsergebnissen, mit Wärmeerzeugung

Schlussfolgerung

Mit den Ergebnissen aus dem Test ist ein sinnvoller Vergleich zwischen der Testtemperatur und der Simulationstemperatur möglich. Die Übereinstimmung zwischen Test und Simulation ist bei einer Entladerate von 1,0C am besten. Nachfolgend wird eine Animation für den Temperaturanstieg in der Batterie für verschiedene Entladeraten gezeigt.

Bibliography

Gümüsşu, E., Ekici, Ö., & Köksal , M. (2017). 3-D CFD modeling and experimental testing of thermal behavior of a Li-Ion battery. Applied Thermal Engineering, 120, 484-495.