A contribution to the thermal design of battery systems in vehicle applications

Im Rahmen der Wende zur klimaneutralen Mobilität gewinnt der Einsatz von Batteriesystemen in elektrischen Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung. Dabei hat das Thermomanagement von Lithium-Ionen-Zellen entscheidenden Einfluss auf Leistung, Reichweite und Sicherheit. Zur Umsetzung des Batteriethermomanagementsystems (BTMS) sind in der Wissenschaft und Serienanwendung verschiedene Konzepte zu finden. Für die Methodik zur Auslegung des BTMS sind zudem einzelne Ansätze in der Wissenschaft entwickelt worden. Es fehlt jedoch an einem umfassenden Prozess, der diese Ansätze verbindet und somit eine quantifizierbare Entscheidung zwischen den Konzepten ermöglicht. Ein solcher Prozess wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Anhand des neuen Prozesses werden die verschiedenen Freiheitsgrade zur thermischen Auslegung des Batteriesystems strukturiert erfasst und quantifiziert. Sie umfassen z. B. die Auswahl der Kühlfläche am Modul und das verwendete Fluid. Insgesamt ergeben sich sechs Freiheitsgrade, von denen vier zu einem neu eingeführten Systemfreiheitsgrad zusammengefasst werden. Der Prozess soll eine quantifizierte Grundlage zum Konzeptentscheid für ein optimales BTMS ermöglichen, indem der Lösungsraum aus Systemfreiheitsgrad, Kühlfläche am Modul und Strömungsführung ausgewertet wird. Für die Auswertung wird eine analytische Vorauswahl und eine Optimierung von Kühlplatten etabliert. In der Vorauswahl werden diverse Kandidaten aus Systemfreiheitsgrad und Kühlfläche am Modul auf elektrische und thermische Kriterien hin überprüft. Für Kandidaten mit Kühlplatten ergibt sich der zusätzliche Freiheitsgrad der Strömungsführung, der anhand der Optimierung von Kühlplatten für Kühl- und Kältemittel festgelegt wird. Somit wird der Lösungsraum der Konzepte aus allen drei Freiheitsgraden vollständig beschrieben. Anhand der Ergebnisse aus Analytik und Optimierung wird der quantifizierte Konzeptentscheid ermöglicht. Der gesamte Prozess wird für ein Kompaktklasse-Szenario und ein Stadtbusszenario angewandt, und anhand der Ergebnisse werden allgemeine Richtlinien zur thermischen Auslegung von Batteriesystemen induziert. Die Richtlinien umfassen u. a. die Benennung günstiger Einsatzbereiche von passiver Luftkühlung, Kühlmittelkühlung über Niedertemperaturkühler (NTK) und Verdampfungskühlung mit CO2. Es werden zudem diverse Aussagen zur topologischen und geometrischen Auslegung von Kühlplatten für Kühl- und Kältemittel abgeleitet.In order to provide mobility with neutral impact on climate, battery systems and their application in electric vehicles have been gaining increasing significance. Therefore, the thermal management of lithium-ion cells is crucial in terms of power, range and safety. There are different concepts for the implementation of battery thermal management systems (BTMS) to be found in literature and series production. As a methodology for battery thermal design, several approaches have been developed. Nevertheless, a comprehensive process to combine these approaches and provide a quantifiable decision between different concepts is still missing. Thus, such a process will be presentend in this thesis. There are several degrees of freedom for the thermal design of the battery system, which have to be described and determined by the new process. The degrees of freedom include, for example, the choice of the module surface used for cooling and the fluid for heat transfer. There are six degrees of freedom in total, four of which are combined into the new system degree of freedom. Thus, the system degree of freedom, module surface and flow configuration remain and their combinations have to be evaluated. By means of this evaluation, a quantified basis to identify an optimal BTMS concept is to be delivered by this process. An analytical part and an optimization of cooling plates are established as a methodology for evaluation. In the analytical part, the candidates, described by combinations of system degree of freedom and cooling surface, are evaluated in respect of electrical and thermal criteria. For candidates with cooling plates, the flow configuration is an additional degree of freedom that has to be determined. This is done by the cooling plate optimization model for liquid and evaporation cooling. By means of both the analytical and optimization part, the entire solution space of all three degrees of freedom is covered and the quantifiable decision for an optimal BTMS is made possible. This new process is applied for two different settings, a battery electric passenger car and an electrified city bus. From the results, general rules for battery thermal design are derived. These rules include, for example, the identification of suitable settings to apply passive cooling, liquid cooling via air-liquid heat transfer unit, or CO2 evaporation cooling. Additionally, several rules for the topological and geometric design of cooling plates are derived