Einblicke in die Crashsicherheit von Batterien – Ergebnisse aus BATTmobil

Herzstück für die Crashsicherheit von Elektrofahrzeugen sind die verbauten Batterien. Von ihrer Integrität hängt es ab, ob bei einem Unfall Schäden entstehen, die mit konventionellen Fahrzeugen vergleichbar sind, oder ob es zu einem Fahrzeugbrand oder sogar zu einer Explosion kommt. Letztere sind die Folgen einer Überhitzung (thermisches Durchgehen) der Batterie, die beispielsweise durch einen Kurzschluss, ausgelöst durch die Zerstörung der inneren Zellstruktur, verursacht werden kann. Zur Beurteilung der Crashsicherheit ist daher ein tiefergehendes Verständnis möglicher Zelldeformationen und deren Bewertung in Bezug auf das Auftreten eines Kurzschlusses notwendig. Im Rahmen des vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg geförderten Vorhabens BATTmobil haben das Fraunhofer EMI und das Fraunhofer IWM diese wesentlichen Aspekte der Batteriesicherheit untersucht. Das im Oktober 2020 erfolgreich beendete Projekt ist Teil des Tech Center i-protect.

Methodenbaukasten zur Erstellung zuverlässig realitätsabbildender Simulationsmodelle

Eine besondere Herausforderung bei der Analyse der Crashsicherheit von Batteriezellen sind die zu berücksichtigenden großen Variationen in den relevanten geometrischen Dimensionen. Im Fahrzeug eingebaute Batterien haben Abmessungen von mehreren Zentimetern, wohingegen die Dicke der Zell-Einzelkomponenten im Mikrometerbereich liegt. Um trotz dieser Skalenunterschiede die Crashsicherheit systematisch, experimentell und numerisch zu betrachten, wurde im Rahmen des Projekts BATTmobil ein Methodenbaukasten entwickelt. Die experimentellen Arbeiten konzentrierten sich darauf, die mechanischen Eigenschaften der Batteriezelle zu untersuchen sowie ihr Versagen in Abhängigkeit von der Art und Geschwindigkeit unterschiedlicher mechanischer Belastungen zu analysieren. Um die Eigenschaften der in der Zelle verbauten Materialien zu charakterisieren, wurden darüber hinaus Experimente an Einzelkomponenten durchgeführt. Ergänzende Simulationen auf atomarer Skala dienten zur Untersuchung des Einflusses des Ladungszustands. Die genaue Kenntnis der Materialeigenschaften der Einzelkomponenten stellte sich als wesentlich für die Erstellung von prognosefähigen Detailmodellen heraus. Da in diesen Modellen die Einzelkomponenten der Zelle explizit berücksichtigt werden, ist mithilfe entsprechender Simulationen ein tiefergehendes Verständnis der Gesamtzelle als Verbund der Einzelkomponenten möglich. Basierend darauf wurden Ersatzmodelle abgeleitet, bei denen das Zellverhalten homogenisiert dargestellt wird. Dies bedeutet, dass nicht mehr explizit jede Einzelkomponente als solche abgebildet ist. Diese Modelle ermöglichen die Simulation des Deformationsverhaltens unterschiedlicher Lastfälle mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand. Durch Vergleich der simulierten und experimentell beobachteten Deformationen konnten grundlegende Erkenntnisse zum deformationsabhängigen Kurzschlussverhalten abgeleitet werden.

Systematischer Ansatz ermöglicht Verallgemeinerung wesentlicher Projektergebnisse

Der Methodenbaukasten wurde im Rahmen des Projektes anhand einer ausgewählten Pouchzelle (Lithium-Ionen-Zelle mit flexiblem Gehäuse), bei der sowohl die einzelnen Komponenten als auch der Herstellungsprozess bekannt sind, erstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse, die beispielsweise bei Anwendungen auf weitere Zelltypen Berücksichtigung finden, lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Umfassende Einblicke in das komplexe Deformations- und Versagensverhalten können mithilfe quasistatischer und dynamischer Zellversuche in Kombination mit Messung der Kraft, der elektrischen Spannung sowie Ex-situ-CT-Aufnahmen gewonnen werden.
• Neben experimentellen Methoden können zukünftig Detailmodelle einen wesentlichen Beitrag zur Bewertung der Kritikalität von Deformationszuständen und damit verbundenen möglichen Kurzschlüssen leisten.
• Ersatzmodelle sind geeignet, das Deformationsverhalten in verschiedenen Lastfällen korrekt abzubilden und können somit zur Prognose des Zelldeformationsverhaltens in Fahrzeugcrashsimulationen verwendet werden.

Eine wesentliche Herausforderung für die weitere Forschungsarbeit bildet die korrekte Beschreibung des experimentell beobachteten Versagensverhaltens. Dafür sollen für die unterschiedlichen Modellierungsansätze geeignete Kriterien abgeleitet werden, die das experimentell beobachtete Versagen einzelner Komponenten sowie das Auftreten eines Kurzschlusses prognostizieren können.

Kontinuität in Forschung zur Batteriesicherheit

Das Projekt BATTmobil-2, gefördert von der Fraunhofer-Gesellschaft, ermöglicht es, die institutsübergreifende Forschungsarbeit zwischen dem Fraunhofer EMI und dem Fraunhofer IWM zur Crashsicherheit von Batteriezellen fortzusetzen. Der Schwerpunkt der Arbeiten wird dabei auf die Versagensbeschreibung einzelner Zellkomponenten im Detailmodell und die Implementierung eines Kurzschlusskriteriums für das Ersatzmodell gelegt.

Ansprechpartner am Fraunhofer IWM:

Dr. Andreas Trondl
Wöhlerstraße 11
79108 Freiburg

E-Mail: andreas.trondl@iwm.fraunhofer.de

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