Entwicklungsbegleitende Validierungsumgebung für das Design von Kühlkonzepten bei der Batteriemodulentwicklung in der frühen Phase der Produktentwicklung = Development-Accompanying Validation Environment for the Design of Cooling Concepts in Battery Module Development in the Early Stage of Product Development

In dieser Arbeit wird eine Methode zur strukturierten Validierung von Batteriezellkühlungen aus querumströmten, kleinformatigen, zylindrischen Batteriezellen über mehrere Entwicklungsgenerationen des Batteriemoduls erarbeitet.
Auf Basis des aktuellen Forschungsstandes werden Kriterien erarbeitet, um die Eignung virtueller, physischer und gemischt physisch-virtueller Modelle für die Validierung in der frühen Entwicklungsphase zur Unterstützung des Frontloadings zu bewerten. Neben einfachen virtuellen zeigen gemischt physisch-virtuelle Modellansätze das Potential zur Unterstützung in der frühen Phase.
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Die im Rahmen der Arbeit erarbeitete Methode strukturiert die Batteriemodulentwicklung in fünf Entwicklungsgenerationen. Bei den Entwicklungsgenerationen handelt es sich um virtuelle, physische und gemischt physisch-virtuelle Modelle im Sinne des IPEK-X-in-the-Loop-Ansatzes. Die gemischt physisch-virtuelle Modellbildung kommt dabei in zwei Entwicklungsgenerationen zum Einsatz. Die Arbeit beschreibt den Aufbau dieser zwei Validierungsumgebungen und deren Anwendung in der jeweiligen Entwicklungsgeneration. Die erste Validierungsumgebung nutzt drei physische Batteriezellen, die thermisch und elektrisch mit einer Echtzeitsimulation des zu entwickelnden Batteriemoduls gekoppelt sind, um das thermisch transiente Verhalten des Batteriemoduls nachzubilden. Die zweite, gemischt modellierte Validierungsumgebung besteht aus thermischen Ersatzbatteriezellen mit steuerbarer Heizleistung und einem modularen physischen Prüfaufbau, der die Batteriezellkühlung vollständig abbildet.
Die beschriebene Methode wird an zwei Entwicklungsbeispielen erprobt, bei welchen Zellen des Formats 18650 mit Kühlflüssigkeit querumströmt werden. Im ersten Entwicklungsbeispiel werden alle Entwicklungsgenerationen bis auf jene durchlaufen, die über drei physische Zellen das thermischen Verhalten des Batteriemoduls approximiert. Diese Entwicklungsgeneration wird im zweiten Entwicklungsbeispiel aufgrund der Möglichkeit, thermisch transiente Vorgänge abzubilden, angewendet.
Die anhand der erarbeiteten Kriterien abschließende Evaluation der Methode über die Entwicklungsbeispiele bestätigt die Unterstützung des Frontloadings in der frühen Phase der Entwicklung von Batteriezellkühlungen.

In this work, a method is developed for the structured validation of battery cell cooling at module level for small-format cross flow-cooled cylindrical cells. The process is structured by the subsequent validation of several engineering generations of a battery module.
Based on the current state of research, criteria are developed for evaluating the suitability of virtual, physical, and mixed physical-virtual models for validation at an early stage to support front loading. In addition to simple virtual, mixed physical-virtual model approaches show potential for an early-stage support.
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The method developed in this work subdivides battery module development into five engineering generations. Engineering generations are virtual, physical, and mixed physical-virtual models in terms of the IPEK-X-in-the-loop approach. Mixed physicalvirtual modeling is used in two engineering generations. This work describes the structure of these two validation environments and their application in the respective engineering generation. To simulate the thermal transient behavior of a battery module, the first validation environment uses three physical battery cells which are thermally and electrically coupled to a real-time simulation of the battery module. The second, mixed-mode validation environment consists of physical battery cell models with controllable heating power and a modular physical test setup that fully replicates battery cell cooling.
The described method is tested on two application examples in which coolant flows across 18650 format cells. In the first application example, all engineering generations are used except for the one that approximates the thermal behavior of the battery module via three physical cells. This engineering generation is used in the second application example due to the possibility of mapping thermally transient processes.
The final evaluation of the method over the application examples based on the developed criteria confirms the support of frontloading at the early stage of engineering battery cell cooling systems.