Ein detailliertes numerisches Modell von Batterie-Zellen ist Voraussetzung, um bereits in einer virtuellen Umgebung, Position, Einbaulage, Batterie-Struktur und u.U. die Zellenarchitektur selbst hinsichtlich ihrer Crash-Sicherheit zu untersuchen. Aus diesem Grund wurde für einen Li-Ionen Pouch-Zelle, wie sie auch in Elektrofahrzeugen Anwendung findet, ein "mikroskopischer Ansatz" gewählt und jede Komponente (Anode, Kathode, Seperator, Pouch) und deren Interaktion mit anderen Komponenten einzeln modelliert, was eine genaue Untersuchung der Vorgänge in der Zelle erlaubt. Für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Zellkomponenten wurden geeignete Versuche durchgeführt, um die Dehnratenabhänigkeit, die Anisotropie, das Versagen und das elastisch-plastische Verhalten der einzelnen Komponenten (Anode, Kathode, Seperator, Pouch) zu beschreiben. Anschließend wurden die Komponenten zu einem Gesamtmodell assembliert. Das Gesamtmodell wurde hinsichtlich des strukturmechanischen Verhaltens in mehreren Versuchen validiert (3-Pkt.-Biege- , verschiedene Stauch- und Penetrationsversuche geladen und ungeladen). Es konnte gezeigt werden, dass das simulierte strukturmechanische Verhalten sehr gut mit experimentell ermittelten Daten übereinstimmt. Dieses strukturmechanische Modell ist die Ausgangsbasis für den sogenannten VSI-Hybridansatz, der das strukturmechanische Modell mit einem Multi-Physik Modell verbindet. Dieses Multi-Physik Modell berücksichtigt Effekte wie Stromfluß, Kurzschluss und Joule'sche Wärmeentwicklung. Die Grundidee dahinter ist, dass damit die Auswirkungen einer mechanisehen Beschädigung und die Folgen mithilfe des Multi-Physik Modells erstmals abgeschätzt werden können. Ein Ausblick auf dieses Modell wird ebenfalls in dieser Studie gegeben.

    A detailed numerical model of battery cells is key for early evaluation of position, orientation, battery-structure and cell-architecture in terms of crash-safety. In the present study a Li-ion cell, which finds application in electric vehicles, was modelled applying a 'microscopic approach'. Each single component and interaction among components was modelled separately, which allows for a close examination of cell internal phenomena. Appropriate mechanical tests were conducted to characterise the mechanical properties of cell components (anode, cathode, separator, pouch) in terms of strain-rate dependency, anisotropy, failure and damage. Components were assembled to form an entire cell model. Eventually the entire model was validated in terms of structural and mechanical behaviour under several load cases (3-point bending tests, various compression and penetration tests charged and uncharged). It was shown that the simulated structural mechanical behaviour correlates very well with experimental data. This structural-mechanical model is the basis for the so-called VSI hybrid approach' that combines the structural mechanical model with a multi-physics model. This multi-physics model takes into account effects such as current flow, short circuit and Joule heating. In the end the model shall be capable of estimating the consequences (fire, explosion, spill, venting) of mechanical loading and damage. An outlook on the hybrid model is given in this study.


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    Title :

    Entwicklung eines mikroskopischen strukturmechanischen FE-Modells einer HV-Zelle für den Crashlastfall


    Additional title:

    Development of a microscopic FE model of a high voltage battery cell for crash-loading evaluation


    Contributors:
    Feist, F. (author) / Breitfuss, C. (author) / Lipp, S. (author) / Sinz, W. (author) / Gstrein, G. (author) / Stadler, M. (author) / Gollop, P. (author)


    Publication date :

    2013


    Size :

    21 Seiten, 18 Bilder, 3 Tabellen, 6 Quellen




    Type of media :

    Conference paper


    Type of material :

    Print


    Language :

    German