Thermal Runaway und die Zukunft der E-Mobilität

Merkle & Partner: Simulationen als Basis des Engineerings.

Bild 1: Der Thermal Runaway lässt sich mit Hilfe von Simulationstechnologien besser verstehen. (Bildquelle: shutterstock)

Der Lithium-Ionen-Akku verfügt über eine hohe Energiedichte, erlaubt viele Ladezyklen und hat eine lange Lebensdauer. Aber gleichzeitig müssen enge Toleranzen eingehalten und ein durchdachtes Kühlkonzept implementiert werden, da der Akku sonst überhitzt und sich entzünden oder explodieren kann. Dieser „Thermal Runaway“ lässt sich nach Merkle & Partner mit Hilfe von Simulationstechnologien besser verstehen und kontrollierbar machen.

Unter Thermal Runaway versteht man das thermische Durchgehen eines Systems, also die unvermittelte Freisetzung der Energie in Form von Wärme. Bei Lithium-Ionen-Akkus im Bereich der E-Mobilität ist die Beherrschung des Thermal Runaway ein essenzielles sicherheitsrelevantes Thema.
Denn brennende Batterien und unlöschbare Brände, noch dazu unter hoher Spannung von 400 V sind ein Damokles-Schwert für die E-Mobilität. Ursache für Thermal Runaways bei E-Batterien können Defekte einzelner Zellen, lokale Überhitzung oder Deformation der Zellen bei einem Unfall sein.

Ingenieurtechnische Simulationsberechnungen über CFD- und FEM-Simulationen können hier wertvolle Einblicke liefern. Die Physik dazu kann mit Simulationsmodellen unterschiedlichster Komplexität beschrieben werden; wenn beispielsweise das Kühlsystem auftretende Wärme nicht ausreichend abführen kann, Nachbarzellen eine Grenztemperatur überschreiten, der Stromwiderstand steigt und die Kühlung versagt, oder wenn Nachbarzellen durch explodierende Zellen ebenfalls kurzgeschlossen werden.

„Ausgiebige Tests auf Prüfständen benötigen lange Vorlaufzeiten und Prüfkapazitäten sind aktuell noch zu gering. Auch gibt der Versuch zwar Aufschluss darüber, was passiert, aber weniger, was zur Vermeidung oder zur Optimierung getan werden kann. Hier haben wir mit den Simulationsberechnungen einen unschlagbaren Vorteil“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR.

Die Untersuchung von Crashszenarien bei einem Unfall hilft, eine Beschädigung der Zellen durch entsprechende Auslegung des Akkugehäuses zu vermeiden. Kombiniert man dies nun mit Simulations-Szenarien zum Thermal Runaway, lässt sich die Sicherheit von Akkus bei E-Fahrzeugen durch richtige Konstruktion und die Verwendung geeigneter Werkstoffe deutlich erhöhen.

Das Ingenieurbüro Merkle & Partner GbR in Heidenheim wurde 1989 von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet und zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtueller Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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