Förderprojekt SimDural - Simulationsbasierte Sicherheitsbewertung eines unkontrollierten, thermischen Durchgehens bei gealterter Batteriezellen

Abstract

Im Simdural Projekt wurde ein Verfahren entwickelt, um das Verhalten von gealterten Batteriezellen beim thermischen Durchgehen mit einer Kombination aus experimentellen und simulativen Methoden vorhersagen zu können. Die Siemens Digital Industries Software GmbH hat im Rahmen dieses Projektes ein physikalisches Modell für die Software Simcenter STAR-CCM+ ausgearbeitet, mit dem ein dreidimensionaler digitaler Zwilling der Batteriezelle erstellt und die chemischen Reaktionen und Phasenübergänge während des thermischen Durchgehens simuliert werden können. Folgende Neuentwicklungen wurden während des Projekts im Modell implementiert:

Zeitabhängige Simulation der Porosität von Elektrodenmaterialien Simulation von Festkörpermaterialien als Kombination mehrerer Materialkomponenten mit spezifischen physikalischen Größen für jede Materialkomponente Mehrphasen Simulationsmodell für komplexe chemische Reaktionen Import physikalischer Materialparameter mit Hilfe sogenannter „Chemkin“-Dateien Im Zeitraum vom 1. Januar bis zum 30. November 2025 wurde das 3D-Modell erfolgreich mit den experimentellen Daten eines sogenannten ARC („Accelerated Rate Calorimetry“)-Tests validiert. Nach der Validierung des Simulationsverfahrens mit dem ARC-Test wurde die gleiche Methodik auf die Modellierung eines Nagelpenetrationstests übertragen. Dabei wird das thermische Durchgehen einer Zelle durch das Einbringen eines Nagels herbeigeführt, der einen internen Kurzschluss verursacht und die chemischen Reaktionen in der Zelle startet, welche sie letztendlich zerstören. Im Vergleich zu der Simulation des ARC-Tests weist die Simulation des Nageltests eine höhere Dynamik auf, da hier auch das Ausströmen des Ventinggases aus der Zelle in die Testkammer berücksichtigt werden muss, was besonders an den Phasenübergangsgrenzen eine Herausforderung hinsichtlich der Berechnung der physikalischen Größen darstellt. Zum Ende des Simdural Projekts konnte der Simulationsansatz auf den Anwendungsfall eines Nageltests im Modell angepasst und die nötigen Randbedingungen und Steuerungsmechanismen in das 3D Modell implementiert werden. Eine vollständige Validierung des 3D Modells mit den Testdaten der Nageltests konnte im zeitlichen Rahmen des Projektes nicht abgeschlossen werden, da die Berechnung der physikalischen Größen an den Phasengrenzen zu technischen Problemen im Simulationsprogramm führte, die aktuell behoben werden. Anschließend wird Siemens Digital Industry Software die Validierung des 3D Modells zu Ende führen und die Ergebnisse veröffentlichen. Der Vorteil des im Simdural Projekt entwickelten 3D-Modells ist die Möglichkeit, für eine spezifische Zellchemie in gealtertem Zustand die charakteristischen chemischen Reaktionen und zugehörigen Materialparameter, die vorher experimentell ermittelt wurden, einfach und schnell in das Simulationsmodell zu übertragen und das thermische Durchgehen der Zelle mit allen dabei auftretenden Phasenübergängen der Zellmaterialien simulieren zu können. Das 3D-Modell kann dazu beitragen, wertvolle Informationen zu gewinnen, um Batterien thermisch abzusichern und die Sicherheitsanforderungen, die für die Zulassung nötig sind, zu erfüllen. Die in diesem Projekt erarbeiteten Modelle und Simulationsmethoden sind bereits in die kommerziell verfügbare Simcenter STAR-CCM+ Software implementiert.