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Kühlung Lithium-Ionen-Batterie

Fragestellung:

Wie müssen wir die Kühlung der Lithium-Ionen-Batterie für unser Fahrzeug aufbauen und regeln, um die Lebensdauer zu maximieren?

Projektziel:

Unser Kunde wollte ein Komponentenmodell in Simulink haben, das er seinen Kollegen von der Systemsimulation weitergeben konnte. Das Komponentenmodell sollte alle relevanten Einflussfaktoren der Lithium-Ionen-Batterie berücksichtigen und die Temperatur der Zellen dreidimensional und instationär berechnen.

Entscheidend war, dass das Modell kompiliert werden musste, damit es nicht verändert wird.

Kunde:

Projektleiter, Batterie-Hersteller

Problembeschreibung unseres Kunden:

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien hängt stark von der Temperatur ab. Ist die Zelle zu kalt, kann sie nicht gut geladen werden. Wird sie zu warm, sinkt die Lebensdauer.

Für unseren Kunden war es sehr wichtig, die Physik der Zelle genau abzubilden, um damit die Temperatur in Fahrzyklen in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur etc. abzubilden.

Er wollte ein dreidimensionales, instationäres Modell des Energiehaushaltes, um die Konstruktion zu optimieren. Dieses Modell wollte er in kompilierter Form an seine Kollegen aus dem Systemsimulations-Team weitergeben, damit diese auch Berechnungen anstellen können.

Lösung:

Wir haben für unseren Kunden ein Modell der Lithium-Ionen-Batterie in Simulink aufgebaut. Dieses besteht aus rund 500 partiellen Differentialgleichungen, die den Energiehaushalt des Batteriesystems beschreiben. Die wesentlichen Effekte sind die Wärmequell-Terme durch die chemische Reaktion beim Laden und Entladen, der Wärmeeintrag von außen, die konvektive Kühlung durch das Kühlmittel sowie natürlich die anisotrope Wärmeleitung in und zwischen den Zellen.

Das Modell ist echtzeitfähig und hat fünf Eingangsparameter als f(t): Stromanforderung, Massenstrom Kühlmittel, Temperatur Kühlmittel, Eingangsdruck Kühlmittel, Umgebungstemperatur. Die Ausgangsparameter sind die Austrittstemperatur des Kühlmittels, der Ausgangsdruck des Kühlmittels sowie der tatsächlich lieferbare Strom (der kleiner sein kann als der angeforderte).

Am Ende hatte unser Kunde einen einzelnen, kompilierten Block sowie den Vollzugriff auf alle Formeln.

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