Die numerische Simulation reduziert bei aktuellen Hightech-Produkten die Time-to-Market deutlich. So wird beispielsweise die multiphysikalische Modellierung bei der Entwicklung von Herstellungsverfahren für High-End-Batteriesysteme am Next-Energy-EWE-Forschungszentrum für Energietechnik der Universität Oldenburg eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien, die bei hohen Temperaturen zur Degradation neigen, müssen nach strengen Vorschriften ausgelegt sein, die ihre Beständigkeit gegen zu erwartende Temperaturschwankungen gewährleisten.

Numerische Ergebnisse zeigen die heißesten Stellen innerhalb der Lithium-Ionen-Batteriezelle

Numerische Ergebnisse zeigen die heißesten Stellen innerhalb der Batteriezelle (oben) und die zeitliche Ausdehnung der Temperatur ins Zellinnere (unten). G. Liebig, L. Komisyska, Next-Energy-EWE-Forschungszentrum für Energietechnik

Es ist zwar bekannt, dass Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel Schweißen, die Temperatur innerhalb einer Batterie stark erhöhen würden, aber es war nicht bekannt, inwieweit sich solche erhöhten Temperaturen innerhalb einer Zelle ausbreiten und diese beeinträchtigen könnten. Wissenschaftler im Forschungszentrum begannen zu untersuchen, ob die erwarteten hohen Schweißtemperaturen eine ausreichende Temperaturausbreitung innerhalb der Zellen erzeugen könnten, um irreversible Schäden wie Elektrolytzersetzung und Kapazitätsverlust zu verursachen.

Zuerst wurden experimentelle Daten einer prismatischen Lithiumzelle, welche einer kurzfristigen thermischen Belastung ausgesetzt war, gesammelt, um später zur Validierung des mathematischen Modells zu dienen. Anschließend erstellte das Team eine 3D-Nachbildung einer kommerziellen prismatischen Lithiumzelle in der Autodesk-Inventor-Software und importierte diese in die Comsol-Multiphysics-Software. Sie modellierten den Wärmeübergang durch Konduktion aufgrund einer externen Wärmequelle an unterschiedlichen Positionen auf der Zelle, die verschiedenen Herstellungsverfahren entsprechen, und die natürliche konvektive Kühlung an anderen Stellen der Zelloberfläche.

Numerische Ergebnisse zeigen die Temperaturverteilung 60 Sekunden nach dem Aufbringen eines 50-W-Wärmestempels auf die Gehäuseoberfläche der Lithium-Ionen-Zelle (im Bild im oberen Bereich dargestellt). Die Temperaturausbreitung in der Lithium-Ionen-Zelle nach dem Schweißen bei 1100 °C wird ebenfalls bestimmt (im Bild im unteren Bereich dargestellt).

Wie die Erstellung eines Multi­physikmodells aussieht und wie sich eine Simulations-Applikation für das eigene Unternehmen praktisch entwickeln lässt, demonstriert Phillip Oberdorfer, Technical Marketing Manager bei Comsol Multiphysics, in dem kostenlosen Webinar „Optimierung der Wärmeleistung resistiver Bauteile mit digitalem Modell“. Moderiert wird das Webinar am 26. November von Dr.-Ing. Nicole Ahner und Alfred Vollmer, die beide im Redaktionsteam von all-electronics arbeiten. Hier können Sie sich anmelden zum Webinar.