Vergleich zwischen Simulationsergebnis und Versuchsergebnis einer brennenden Lithium-Ionen-Batterie anhand der Flammengeometrie.
Quelle: BAM, Fachbereich 7.0 Bauwerkssicherheit
Lithium-Ionen Batterien (LIB) werden z.B. im Verkehrs- und Energiebereich eingesetzt. Im Schadensfall kann das thermische Durchgehen der Batterie zu einem Brand der Batterie führen, mit charakteristischen Eigenschaften, die sich von herkömmlichen Bränden unterscheiden können. Computational Fluid Dynamics (CFD) werden als Ingenieurmethode im Brandschutz und nicht zuletzt wegen steigender Rechenkapazitäten zunehmend eingesetzt. Die Untersuchung geht der Frage nach, wie die besonderen Eigenschaften eines LIB Brands in Rechenmodellen berücksichtigt werden können. So ist bspw. die über die gängige Messmethode des Sauerstoffverbrauchs ermittelte Wärmefreisetzungsrate einer LIB mit Unsicherheiten behaftet, zum anderen können die während eines LIB Brandes freigesetzten Gase als Strahlfeuer brennen.
In diesem Paper wird ein empirisches Model vorgestellt, das die Wärme- und Stofffreisetzung in einer CFD-Simulation auf Basis der Mechanismen des Thermischen Durchgehens im Ergebnis bestimmt.
Das Modell wurde durch Nachsimulation eines Brandversuchs anhand der Flammengeometrie, der Temperaturen und der Wärmefreisetzungsrate mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Der Einfluss wesentlicher Eingangsparameter für das Modell wurde anhand einer Parameterstudie untersucht.
Für den untersuchten Batteriebrand konnte die Wärmefreisetzungsrate und Flammenform qualitativ vorhergesagt werden. Die berechneten Temperaturen lieferten jedoch Abweichungen zu den Messwerten. Das Modell sollte durch weitere Simulationen verschiedener Versuche und Batterietypen weiter untersucht werden.
Die Validierungsversuche zu den Simulationen fanden im Rahmen des Forschungsprojekts „Sicherheit in unterirdischen städtischen Verkehrsbereichen bei Einsatz neuer Energieträger“ (SUVEREN) statt.
An empirical model for lithium-ion battery fires for CFD applications
Sascha Voigt, Felix Sträubig, A. Kwade, J. Zehfuß, Christian Knaust
veröffentlicht in Fire Safety Journal, Band 135, Aufsatznummer 103725, S. 1–12.