20. August 2020

FEV steigert Batteriesicherheit durch Optimierung der thermischen Propagation

FEV hat Simulationstechnologien in Kombination mit einem kaskadierten Prüfansatz zur Optimierung des Designs von Hochvoltbatteriepacks entwickelt. So werden thermische Propagation sowie das Risiko des thermischen Durchgehens reduziert - ein konkreter Sicherheitsgewinn für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Quelle: FEV Group

FEV ist führend bei der Entwicklungsarbeit für Simulationsansätze, die Herausforderungen der thermischen Propagation frühzeitig im Entwicklungsprozess lösen können. Quelle: FEV Group

Aachen, Deutschland, August 2020 – FEV, weltweit führender Entwickler leistungsfähiger Batteriesysteme, hat einen neuartigen kombinierten Simulations- und Prüfprozess für die Optimierung der thermischen Propagation in Hochvoltbatterien entwickelt. Dieser Prozess verringert Verletzungsrisiken und Schäden durch das sogenannte thermische Durchgehen (thermal runaway) von Batteriezellen. Gleichzeitig spart er Entwicklungszeit und -kosten.

Für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist das thermische Durchgehen ein Sicherheitsaspekt mit hoher Priorität, denn durch diesen Effekt verursachte Batteriebrände stellen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Für Januar 2021 wird mit der chinesischen Norm GB/T 38031 die erste Vorschrift zur thermischen Propagation erwartet. Sie schreibt eine Mindestwarndauer von fünf Minuten für Fahrzeuginsassen vor, bevor durch ein thermisches Ereignis entstehende Feuer vom Batteriepack überspringen oder von der Batterie freigesetzte Gase in den Fahrgastraum eindringen. Es wird erwartet, dass weitere Aufsichtsbehörden und Märkte dem chinesischen Beispiel folgen.

Das Aachener Unternehmen FEV hat dazu grundlegende Simulationstechnologien in Kombination mit einem kaskadierten Prüfansatz zur Optimierung des Designs von Hochvoltbatteriepacks entwickelt. Das Ergebnis: thermische Propagation sowie das Risiko des thermischen Durchgehens werden signifikant reduziert. „Unser simulationsbasierter Ansatz wird mit unseren Design- und Entwicklungskompetenzen für Batterien kombiniert. Zudem betreiben wir als entscheidendes Element bei Batterieentwicklung und -tests die weltweit größte Einrichtung dieser Art, unser eDLP bei Leipzig“, sagt Professor Stefan Pischinger, Vorsitzender der Geschäftsführung der FEV Group. „Dadurch ist FEV in der einzigartigen Lage, den gesamten Entwicklungsprozess für die thermische Propagation zu begleiten.“

Der simulationsbasierte Ansatz beginnt nach der Definition der wichtigsten CAD-Daten und Pack-Geometrien in der Basisentwicklungsphase. Dafür wurden von FEV zwei flexible Modelle geschaffen. Die Multiphysics-Simulation dient zur Erstellung eines Modells zur Bewertung und Optimierung des thermischen Durchgehens einer Zelle sowie der Propagation zwischen Batteriezellen und Batteriemodulen. Dieses Modell und seine Anpassung an spezifische Kundenanforderungen ermöglichen die Optimierung des Designs und die Integration von Gegenmaßnahmen wie etwa Wärmesperren. Zeitgleich wird ein zweites  Strömungssimulationsmodell erstellt, das zur Beurteilung und Optimierung des Designs der Entlüftungswege, der Dimensionierung von Entlüftungsventilen sowie der Anordnung der kritischen Hochspannungsleitungen innerhalb des Batteriepacks dient.

Jedes Modell wird anhand von Testdaten physikalischer Prüfungen validiert. Dieser Prüfansatz basiert auf einer schrittweisen Validierung von der Zelle über das Modul bis zum Pack, wobei auf Pack-Ebene verschiedene Dummy-Packs zur Bewertung des thermischen Propagationsverhaltens verwendet werden. Der kaskadierte Prüfansatz kann sogar noch optimiert werden, wenn bestimmte Angaben wie etwa Zelldaten vorhanden sind. Der Vorteil des FEV Prozesses ist, dass bereits in einem frühen Entwicklungsstadium experimentelle Rückschlüsse gezogen werden können, ohne dass dafür ein voll funktionsfähiges Batteriepack gebaut werden muss. Dadurch werden Zeit und Kosten eingespart.

Nach der Validierung anhand der Daten der physikalischen Prüfungen werden die beiden Modelle zusammengeführt. Das so geschaffene Kombinationsmodell umfasst sowohl das thermische Batteriemodell als auch die lokalen Wärmeübergangskoeffizienten sowie die Flüssigkeits- und Gastemperaturen aus der Strömungssimulation. Dieses Kombinationsmodell kann für noch genauere und detailliertere Simulationen genutzt werden. So sind Leistungsbewertungen und die Auswahl optimierter Designparameter und -variationen möglich. Abschließend wird das Design als komplettes Batteriepack geprüft und validiert.

„Thermische Propagation ist ein Sicherheitsrisiko für Batteriepacks“, sagt Professor Pischinger. „Bei FEV sind wir stolz auf unsere wegweisende Entwicklungsarbeit für Simulationsansätze, anhand derer wir die Herausforderungen der thermischen Propagation für unsere Kunden frühzeitig im Entwicklungsprozess lösen können.“

Weitere Informationen zum Thema Batterieentwicklung bei FEV finden Sie hier: https://www.fev.com/de/batterydevelopment

About FEV
FEV is a leading independent international service provider of vehicle and powertrain development for hardware and software. The range of competencies includes the development and testing of innovative solutions up to series production and all related consulting services.The range of services for vehicle development includes the design of body and chassis, including the fine tuning of overall vehicle attributes such as driving behaviour and NVH. FEV also develops innovative lighting systems and solutions for autonomous driving and connectivity. The electrification activities of powertrains cover powerful battery systems, e-machines and inverters. Additionally FEV develops highly efficient gasoline and diesel engines, transmissions, EDUs as well as fuel cell systems and facilitates their integration into vehicles suitable for homologation. Alternative fuels are a further area of development.

The service portfolio is completed by tailor-made test benches and measurement technology, as well as software solutions that allow efficient transfer of the essential development steps of the above-mentioned developments, from the road to the test bench or simulation.

The FEV Group currently employs 6300 highly qualified specialists in customer-oriented development centers at more than 40 locations on five continents.