Als Hauptenergiequelle von Elektrofahrzeugen sind Antriebsbatterien für diese Fahrzeuge von großer Bedeutung. Im tatsächlichen Fahrbetrieb ist die Batterie komplexen und wechselnden Betriebsbedingungen ausgesetzt.
Bei niedrigen Temperaturen steigt der Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Akkus, wodurch ihre Kapazität sinkt. Im Extremfall gefriert der Elektrolyt, und der Akku lässt sich nicht mehr entladen. Die Leistung des Akkusystems bei niedrigen Temperaturen wird dadurch stark beeinträchtigt, was zu Leistungsverlusten und Reichweitenreduzierung bei Elektrofahrzeugen führt. Beim Laden von Elektrofahrzeugen unter diesen Bedingungen erwärmt das Batteriemanagementsystem (BMS) den Akku üblicherweise zunächst auf eine geeignete Temperatur. Wird dies nicht sachgemäß durchgeführt, kann es zu einer kurzzeitigen Überladung mit internem Kurzschluss kommen, was wiederum Rauchentwicklung, Brand oder sogar eine Explosion zur Folge haben kann.
Bei hohen Temperaturen kann ein Versagen der Laderegelung eine heftige chemische Reaktion im Inneren der Batterie auslösen und zu starker Hitzeentwicklung führen. Wenn sich die Hitze in der Batterie schnell staut und nicht ausreichend abgeführt werden kann, kann die Batterie auslaufen, Gase freisetzen, rauchen usw. Im schlimmsten Fall kann die Batterie in Flammen aufgehen und explodieren.
Das Batteriethermomanagementsystem (BTMS) ist die Hauptfunktion des Batteriemanagementsystems. Das Thermomanagement der Batterie umfasst im Wesentlichen die Funktionen Kühlung, Heizung und Temperaturausgleich. Die Kühl- und Heizfunktionen werden primär an den möglichen Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Batterie angepasst. Der Temperaturausgleich dient dazu, Temperaturunterschiede innerhalb des Akkupacks zu reduzieren und einen schnellen Kapazitätsverlust durch Überhitzung einzelner Batteriebereiche zu verhindern. Ein geschlossenes Regelsystem, bestehend aus Wärmeleitmedium, Mess- und Steuereinheit sowie Temperaturregelung, sorgt dafür, dass die Antriebsbatterie in einem optimalen Temperaturbereich arbeitet, um ihren optimalen Betriebszustand zu erhalten und die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Batteriesystems zu gewährleisten.
1. „V“-Modell-Entwicklungsmodus des Wärmemanagementsystems
Als Bestandteil des Antriebsbatteriesystems wird das Thermomanagementsystem ebenfalls nach dem V-förmigen Entwicklungsmodell der Automobilindustrie entwickelt. Nur so lassen sich die Entwicklungseffizienz steigern, die Entwicklungskosten senken und die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit des Systems gewährleisten – mithilfe von Simulationswerkzeugen und umfangreichen Testverifizierungen.
Das folgende Modell beschreibt die Entwicklung von Wärmemanagementsystemen im V-Format. Es besteht im Allgemeinen aus zwei Achsen: einer horizontalen und einer vertikalen. Die horizontale Achse umfasst vier Hauptlinien der Vorwärtsentwicklung und eine Hauptlinie der Rückwärtsverifizierung. Die Hauptlinie der Vorwärtsentwicklung berücksichtigt die Rückwärtsverifizierung im geschlossenen Regelkreis. Die vertikale Achse gliedert sich in drei Ebenen: Komponenten, Subsysteme und Systeme.
Die Temperatur der Batterie beeinflusst deren Sicherheit unmittelbar. Daher ist die Entwicklung und Erforschung des Wärmemanagementsystems eine der wichtigsten Aufgaben bei der Konstruktion des Batteriesystems. Die Auslegung und Überprüfung des Wärmemanagements muss strikt gemäß dem Entwicklungsprozess, den System- und Komponententypen, der Komponentenauswahl und der Leistungsbewertung des Wärmemanagementsystems erfolgen, um die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten.
1. Anforderungen an das Wärmemanagementsystem. Ausgehend von den Design-Eingangsparametern wie Fahrzeugeinsatzumgebung, Betriebsbedingungen und Temperaturbereich der Batteriezellen wird eine Bedarfsanalyse durchgeführt, um die Anforderungen an das Wärmemanagementsystem des Batteriesystems zu ermitteln. Die Systemanforderungen legen anhand dieser Analyse die Funktionen und Designziele des Wärmemanagementsystems fest. Zu diesen Designzielen gehören im Wesentlichen die Regelung der Batteriezellentemperatur, der Temperaturdifferenz zwischen den Batteriezellen, des Energieverbrauchs und der Kosten des Systems.
2. Rahmenkonzept des Wärmemanagementsystems. Gemäß den Systemanforderungen wird das System in Kühl-, Heiz-, Wärmedämmungs- und TRo-Teilsysteme (Thermal Runaway Obstructing) unterteilt, und die Designanforderungen für jedes Teilsystem werden definiert. Parallel dazu wird eine Simulationsanalyse durchgeführt, um das Systemdesign initial zu verifizieren.PTC-Kühlerheizung, PTC-Lufterhitzer, elektronische Wasserpumpe, usw.
3. Teilsystementwurf: Zuerst wird das Entwurfsziel jedes Teilsystems entsprechend dem Systementwurf festgelegt. Anschließend werden für jedes Teilsystem nacheinander die Methodenauswahl, der Schemaentwurf, der detaillierte Entwurf sowie die Simulationsanalyse und -verifizierung durchgeführt.
4. Teilekonstruktion: Zuerst werden die Konstruktionsziele der Teile entsprechend der Subsystemkonstruktion festgelegt, anschließend erfolgt eine detaillierte Konstruktions- und Simulationsanalyse.
5. Herstellung und Prüfung von Teilen, Fertigung von Teilen sowie Prüfung und Verifizierung.
6. Subsystemintegration und -verifizierung, für die Subsystemintegration und Testverifizierung.
7. Systemintegration und -prüfung, Verifizierung der Systemintegration und -prüfung.
Veröffentlichungsdatum: 02.06.2023
