Bei einem Thermal Runaway oder dem thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batteriezellen steckt eine durch Überhitzung beschädigte Batteriezelle die umliegenden Zellen an, sodass diese auch in Brand geraten – über das gesamte Batteriepack hinweg. Dies stellt eines der höchsten Sicherheitsrisiken in Elektrofahrzeugen dar und muss unter allen Umständen verhindert werden.

Bild 1: Features des Thermal Runaway Workflows in AVL Fire M.

Bild 1: Features des Thermal Runaway Workflows in AVL Fire M. AVL List

Regulierungen und Sicherheitsbedenken stellen zunehmend höhere Anforderungen an Design, Auslegung und Fertigung von Li-Ionen-Batteriepacks für automobile Anwendungen. Die ISO-Standards geben bereits zahlreiche Anforderungen an die Entwicklung von elektrifizierten Antriebssträngen vor. Derzeit sind vor allem die Tests auf Modul- und Packebene das Thema weiterer Standardisierungsmaßnahmen. Mit einem geeigneten Simulationswerkzeug lässt sich das Verhalten solcher Batteriepacks bei Defekten – etwa durch interne Kurzschlüsse, elektrische Überlastung oder mechanische Beschädigungen – ermitteln und zur schnelleren Entwicklung sicherer Batteriesysteme nutzen.

Methodik der Simulation

Mit der Software AVL Fire M von AVL List wird der Thermal Runaway (thermisches Durchgehen) eines Batteriepacks in Form von gekoppelten 3D-CFD-Simulationen in seinem Zusammenwirken erfasst. Dies ist notwendig, wenn Betrachtungen zur Entflammbarkeit und Designstudien sowohl zeitlich als auch örtlich vollaufgelöst betrachtet werden sollen. Dabei modelliert beziehungsweise simuliert das System einzelne Teilprozesse eines Thermal Runaway; so ist es möglich, jeden Teilaspekt zu verstehen. Der Thermal-Runaway-Workflow ist in dieser Software vollständig in einer einzigen Simulation abgebildet, welche sowohl die Fluiddomäne – in Form der Luft-Zwischenräume im Batteriepack und des Elektrolytgases – als auch die Soliddomäne – in Form der Batteriezellen, Gehäuseteile und anderer Festkörper – gekoppelt berechnet.

So ermittelt die Software die Wärmefreisetzung einer einzelnen Batteriezelle sowie die Wärmeübertragung auf die benachbarten Zellen im Modul. Daraus ergibt sich eine genaue Temperaturverteilung, die für die weiteren Modellierungsschritte ausschlaggebend ist. Beim Überschreiten einer gewissen Grenztemperatur, die von Batterieparametern wie den Materialeigenschaften abhängig ist, platzt die Batteriezelle auf, und das Elektrolytgas der Batterie beginnt, in die Umgebung auszuströmen. Hier ist sowohl die Kenntnis des Massenstroms als auch der Gaszusammensetzung wichtig.

Bild 2: Temperaturverteilung des Elektrolytgases im Batteriepack – Als isometrische Ansicht (unten links) und Draufsicht (oben links). Details mit Modulabdeckung (oben rechts) und ohne Modulabdeckung (unten rechts).

Bild 2: Temperaturverteilung des Elektrolytgases im Batteriepack – als isometrische Ansicht (unten links) und Draufsicht (oben links). Details mit Modulabdeckung (oben rechts) und ohne Modulabdeckung (unten rechts). AVL List

Infolge des Elektrolytgas-Austritts kommt es zum Aufschmelzen von Bauteilen im Pack. Das heiße Gas steigert außerdem den Druck bis zu einem definiertem Limit, nach dem die Berstscheiben brechen, und das Gas ausströmt. Diese Vorgänge sind ausschlaggebend für eine vollständige Abbildung des Thermal Runaway in Batteriepacks. Sie werden in der numerischen Simulation korrekt berücksichtigt; somit lassen sich in der Folge Designstudien und Parametervariationen durchführen. Bedeutsam ist dabei unter anderem das jeweilige Material der Batteriemodul-Abdeckungen (auch flame barrier genannt), weil es wesentlich zum Schutz der (anderen) Batteriezellen vor dem heißen Elektrolytgas dient. Bauteile mit hoher Temperaturbeständigkeit zögern das Aufschmelzen der Zelle hinaus. Desweiteren ist die Anordnung der eingebauten Berstscheiben am Batteriepack wichtig, weil sie vorgibt, wo und wohin das heiße Elektrolytgas ausströmt.

Zum Start der Simulation wird eine Batteriezelle auf die kritische Anfangstemperatur erwärmt und damit der Thermal-Runaway-Prozess in Gang gesetzt. Aus dem defekten heißen Modul beginnt daraufhin Elektrolytgas auszuströmen (Bild 1 und 2). Im Wesentlichen kommt es dabei auf fünf Vorgänge beziehungsweise Modellierungsschritte an (Bild 2):

  • Thermische Ausbreitung: Um die Wärmefreisetzung einer Zelle in Abhängigkeit ihrer Zelltemperatur zu modellieren, werden entweder eine Verteilungsfunktion oder Prüfstandsmessdaten verwendet. Für die Messmethodik und Ergebnisse verweisen die Autoren auf die Methodik von A. W. Golubkov (RSC Adv., vol. 4, pp. 3633–3642, 2014). Über die Angabe von thermischen Leitfähigkeiten berücksichtigt die Modellierung auch die Wärmeleitung zwischen den als Festkörper modellierten Batteriezellen. In Summe ermöglicht dies eine Beurteilung des Effekts von wärmedämmenden Materialien zwischen den Zellen.
  • Ausströmen des Elektrolytgases: Sobald eine kritische Temperatur in einer Batteriezelle erreicht ist, strömt verdampfter Elektrolyt in die Luftspalte des Batteriepacks. Um dies in der Simulation zeitlich und räumlich zu berücksichtigen, gibt die Modellierung gemessene Massenströme vor. So ist eine Beurteilung der Gasverteilung im gesamten Batteriepack möglich. Auch die Konzentration der Gaskomponenten lässt sich hier vorgeben, wobei derzeitige Mischungen sich entweder auf die Arbeiten von A. W. Golubkov (RSC Adv., vol. 8, pp. 40172-40186, 2018) oder auf Messungen beziehen.
  • Aufschmelzen: Die Modulabdeckungen leiten das heiße Elektrolytgas entweder um oder sie werden selbst aufgeschmolzen, so dass an diesen Stellen Elektrolytgas austritt. Das Verhalten der Abdeckungen in räumlicher und zeitlicher Betrachtung ist essentiell für die Gesamtbetrachtung des Thermal Runaway. Die Abbildung dieses Vorgangs in der Simulation ermöglicht die Beurteilung der Modulabdeckungen beziehungsweise ihrer Haltbarkeit.
  • Berstscheiben: Um ein kontrolliertes Ausströmen des entflammbaren Elektrolytgases an bestimmten Stellen zu gewährleisten, sind in den meisten Batteriepacks Berstscheiben verbaut. Die Modellierung der Berstscheiben ermöglicht die Beurteilung der Wirksamkeit des Gasablass-Konzeptes für die Schadensbegrenzung und ist daher für die Auslegungsentscheidungen auf Packebene unerlässlich.
  • Entflammbarkeit: Weil das heiße Elektrolytgas in die Luftspalte im Batteriepack strömt, kann es dort zur Bildung von entflammbaren Gemischen kommen, die teilweise auch selbstentzündlich sind. In der Simulation ist dieser Vorgang, Entflammbarkeit und Selbstentzündung, mittels des Flammability Index enthalten. Er zeigt das Gefahrenpotenzial an.

Simulationsergebnisse an Demonstrator-Zelle

Bild 3: Isometrische Ansicht einer Batteriezelle und deren Modulabdeckung nach 0,02 s Echtzeit (links) und 0,58 s Echtzeit (rechts).

Bild 3: Isometrische Ansicht einer Batteriezelle und deren Modulabdeckung nach 0,02 s Echtzeit (links) und 0,58 s Echtzeit (rechts). AVL List

Diese bereits beschriebenen Modellierungsansätze sind in einem Workflow in der Software AVL Fire M integriert. Die Methodik umfasst einen komplett integrierten Workflow, der eine gekoppelte Simulation von Batteriezellen, Modulabdeckung (Flame Barrier), Gehäuseteilen als Festkörper sowie dem ausströmenden Elektrolytgas ermöglicht.

Durch die Kopplung der Gasströmung an die als Festkörper dargestellten Batteriezellen ist auch die Beurteilung des Wärmeaustauschs mit Hilfe einer einzelnen Simulation möglich; die Bilder 3 bis 6 zeigen ausgewählte Ergebnisse an einem Demonstrator-Batteriepack.

Bild 4: Simulierte und gemessene Propagationszeiten für ein Batteriemodul in einem "Real Life Pack".

Bild 4: Simulierte und gemessene Propagationszeiten für ein Batteriemodul in einem „Real Life Pack“. AVL List

Bild 3 veranschaulicht dabei das Ausströmen des heißen Elektrolytgases mit und ohne Modulabdeckung – links in isometrischer Ansicht und rechts als Draufsicht im Detail. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Modulabdeckung deutlich dazu beitragen kann, den Thermal-Runaway-Prozess durch Blockieren des Gasstroms zu verhindern.

Bild 4 zeigt das Aufschmelzen von Modulabdeckungen. Zur besseren Übersicht ist die Modulabdeckung hier halbtransparent abgebildet. Dabei ist in isometrischer Ansicht das Ausströmen von Elektrolytgas aus der Batteriezelle (grau) zu sehen, wie es gegen die Modulabdeckung (braun, halbtransparent) strömt. Nach 0,25 s Simulationszeit hat sich das Gas durch die Abdeckung hindurchgeschmolzen und prallt auf die nächste Abdeckung. Nach 1 s ist auch die zweite Abdeckung aufgeschmolzen. Darüber hinaus gibt der Flammability Index Aufschluss über die Entflammbarkeit des Gases: Blaue Zonen (Flammability Index = 0) sind nicht entflammbar, während grüne oder gar rote Zonen (Flammability Index > 0) eine zunehmende Entflammbarkeit des Gases repräsentieren.

Simulations- und Messergebnisse

Die Qualität der Simulationsergebnisse lässt sich durch einen Vergleich tatsächlicher Messergebnisse mit den Simulationsergebnissen abschätzen. Das Beispiel in Bild 5 vergleicht die gemessenen und die simulierten Werte der thermischen Propagation zwischen den einzelnen Batteriezellen in einem Modul, also die thermische Propagationszeit von Zelle 1 zu Zelle 2, von Zelle 2 zu Zelle 3 und so weiter. Insgesamt sind die Zeiten für acht Zellen angegeben. Dabei ist eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen Zeiten (graue Balken) und den simulierten Zeiten (schwarze Balken) zu sehen.

Durch das geschmolzene Loch in einer Modulabdeckung kann heißes Elektrolytgas in die Luftspalten des Batteriepacks gelangen; dadurch erhöhen sich allmählich Temperatur und Druck im Pack. Erst durch das Öffnen der Berstscheiben kann sich dieser Überdruck vermindern, während das Gas hierdurch gerichtet ausströmen kann.

Aber wie gut stimmen Simulation und Messwerte beim Druckverlauf über die Zeit überein? Bild 6 gibt die Antwort. Nach etwa 1,4 s hat das Aufbrechen der Berstscheibe einen rapiden Druckabfall zur Folge; das Druckniveau vermindert sich wieder auf den Umgebungsdruck. Der berechnete Öffnungszeitpunkt der Berstscheibe stimmt hier mit den Messungen an einem realen Batteriepack gut überein.

Nutzen für die Entwickler

Bild 5: Simulierter Druckanstieg bei einem Real Life Batteriepack. Aufbruch der Berstscheibe bei 1,4 s.

Bild 5: Simulierter Druckanstieg bei einem Real Life Batteriepack. Aufbruch der Berstscheibe bei 1,4 s. AVL List

Zur Entwicklung und Auslegung von Batteriepacks stellt die Simulations-Software den Thermal Runaway rechnerisch nach – und zwar mit dem Ziel, Maßnahmen zu erarbeiten, die diese Kettenreaktion stoppen können oder aber zumindest die thermische Ausbreitung massiv verlangsamen. Basierend auf Experimenten auf Zellenebene, die der Charakterisierung der Wärmefreisetzung einer einzelnen Zelle dienen, ermöglicht diese Simulationsstrategie eine systematische und effiziente numerische Untersuchung der Ausbreitung im Rahmen eines Thermal Runaway. Die Simulation versetzt die Entwickler in die Lage, unterschiedliche konstruktive Maßnahmen virtuell zu untersuchen, mit denen sie die thermische Ausbreitung verhindern oder zumindest so verzögern können, dass das Batteriesystem die Sicherheitsanforderungen für Elektrofahrzeuge erfüllt.

Fazit

Die Simulation des Verhaltens von Modulabdeckungen zeigt auch das Ausströmen des Elektrolytgases. Die Entwickler können so verschiedene Möglichkeiten virtuell testen, die das Ausströmen beeinflussen, und soweit wie möglich verhindern, dass andere Batteriemodule erhitzt werden. Die Simulation der Entflammbarkeit des Elektrolytgases erlaubt es, zeitlich und örtlich entflammbare Zonen zu identifizieren. Wie mehrere Studien dazu gezeigt haben, ist dies in der Produktentwicklung unbedingt erforderlich. Die Simulation der Öffnungszeit der Berstscheiben an einem echten Batteriepack dient Validierungszwecken; sie zeigt eine gute Übereinstimmung von Simulation und Messung.