Die Energieversorgung unbemannter Flugobjekte (UAV) erfolgt gegenwärtig über Batterie-Module. Diese sind als zusätzliche Bauteile in die Struktur eingebracht. Daher erhöht sich das Gesamtgewicht der Struktur deutlich. Im Sinne der Energiespeicherung existieren verschiedene multifunktionale Konzeptansätze. Hierunter zählen strukturelle, elektrische Energiespeicherungssysteme (SEES). Bei diesen Konzepten erfolgt die Energiespeicherung in den Bauteilen bei gleichzeitiger Erfüllung struktureller Eigenschaften. Somit gelten diese als masselose Energiespeicherungssysteme. Im Rahmen dieser Thesis erfolgt eine Betrachtung verschiedener SEES. Schließlich werden strukturelle Superkondensatoren (SSC) zur Integration in ein UAV ausgewählt. Als Integrationsobjekt dient die Drohne DJI Matrice 600 Pro. Ein SSC mit besten Eigenschaften wird anhand einer systematischen Methode aus der aktuellen Literatur ermittelt. Dieser Favorit wird konzeptionell in die Drohne integriert. Diesbezüglich erfolgen verschiedene, physikalische Berechnungen zu elektrischen Eigenschaften und anliegenden Kräften, sodass Rückschlüsse zur Leistungsfähigkeit getroffen werden können. Im weiteren Verlauf wird eine Mehrkörpersimulation mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) am Untersuchungsobjekt durchgeführt. Mit der Kenntnis über die anliegenden Beanspruchungen erfolgt weiterführend eine detailgetreue, strukturmechanische Analyse des SSC unter Verwendung der FEM an repräsentativen Volumenelementen. Fortan wird das multiphysikalische Kopplungsphänomen im strukturellen Elektrolyten simuliert. Hierfür werden mathematische Abhängigkeiten von mechanischen Einwirkungen auf geometrisch, veränderliche Größen ermittelt. Diese werden in eine elektrochemische Simulation überführt, sodass das multiphysikalische Kopplungsphänomen berechnet wird. Als Ergebnis zeigt sich, dass die Kompression des Elektrolyten negative Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften hat...:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Strukturelle elektrische Energiespeicherungssysteme 2.2 Superkondensatoren – Aufbau und Funktionsweise 2.3 Berechnungsgrößen am strukturellen Superkondensator 3 Stand der Forschung 3.1 Literaturrecherche – Strukturelle Superkondensatoren 3.2 Festlegung von Parametern und Auswahl des SSC 4 Anwendungsfall: DJI Matrice 600 Pro 4.1 Produktanalyse DJI Matrice 600 Pro 4.2 Integration des strukturellen Superkondensators in die Struktur 4.3 Berechnung elektrischer Eigenschaften 4.4 Analyse und Berechnung der wirkenden Kräfte 4.5 FEM-Mehrkörpersimulation am UAV-Anwendungsfall 5 Strukturmechanische Simulation am SSC 5.1 SSC-Bereichsanalyse und Simulationsaufgabe 5.2 Repräsentative Volumenelemente und Einheitszelle 5.3 Simulation Bereich 1: Poröse Faser in der Matrix 5.4 Simulation Bereich 2: Fasern in der Matrix 5.5 Simulation Bereich 3: Poröser Elektrolyt 6 Multiphysikalische SSC-Simulation 6.1 Multiphysikalischer Kopplungseffekt 6.2 Analyse der geometrischen Größen Porosität und Tortuosität 6.3 Multiphysikalische Simulation mit COMSOL Multiphysics Zusammenfassung und Ausblick Literatur / Unmanned aerial vehicles (UAV) are currently powered by batteries, which are integrated as additional components within their structure. However, the substantial weight of these batteries leads to increased energy consumption and reduced flight time. In addition to battery-based energy systems, there are alternative concepts that serve multifunctional roles. Structural electrical energy storage systems (SEES) for example carry loads and offer electrical energy storage functions at the same time. In this work, structural Supercapacitors (SSC) are selected as SEES candidates. A systematic approach is employed to integrate an SSC into the DJI Matrice 600 Pro done as an UAV use case. The efficiency of the integrated system is assessed through various physical calculations. Subsequently, a multi-body simulation using the finite element method is conducted on the chosen UAV model. Furthermore, representative volume elements are defined within the structural supercapacitor, and simulations are performed to comprehend the underlying processes. During the exploration of multiphysical coupling effects between mechanical stresses and electrochemical behaviors, certain geometric parameters are identified as influential factors. Regression analysis is employed to formulate mathematical equations representing these dependencies for simulation purposes. A multiphysical simulation is executed, considering compression as a representative load case. The results are evaluated using cyclic voltammetry. The study concludes that mechanical compression loads have an adverse effect on the electrochemical properties of the structural supercapacitor:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Strukturelle elektrische Energiespeicherungssysteme 2.2 Superkondensatoren – Aufbau und Funktionsweise 2.3 Berechnungsgrößen am strukturellen Superkondensator 3 Stand der Forschung 3.1 Literaturrecherche – Strukturelle Superkondensatoren 3.2 Festlegung von Parametern und Auswahl des SSC 4 Anwendungsfall: DJI Matrice 600 Pro 4.1 Produktanalyse DJI Matrice 600 Pro 4.2 Integration des strukturellen Superkondensators in die Struktur 4.3 Berechnung elektrischer Eigenschaften 4.4 Analyse und Berechnung der wirkenden Kräfte 4.5 FEM-Mehrkörpersimulation am UAV-Anwendungsfall 5 Strukturmechanische Simulation am SSC 5.1 SSC-Bereichsanalyse und Simulationsaufgabe 5.2 Repräsentative Volumenelemente und Einheitszelle 5.3 Simulation Bereich 1: Poröse Faser in der Matrix 5.4 Simulation Bereich 2: Fasern in der Matrix 5.5 Simulation Bereich 3: Poröser Elektrolyt 6 Multiphysikalische SSC-Simulation 6.1 Multiphysikalischer Kopplungseffekt 6.2 Analyse der geometrischen Größen Porosität und Tortuosität 6.3 Multiphysikalische Simulation mit COMSOL Multiphysics Zusammenfassung und Ausblick Literatur

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude thermique des batteries Li-ion en vue d'une application de gestion thermique pour l'automobile. La compréhension des phénomènes thermiques à l'échelle accumulateur est indispensable avant de réaliser une approche de type module ou pack batterie. Ces phénomènes thermiques sont mis en évidence à partir d'une modélisation thermique globale de deux accumulateurs de différentes chimies, en décharge à courant constant. La complexité du caractère résistif de l'accumulateur Li-ion a mené au développement d'un modèle prenant en compte l'interaction entre les phénomènes électrochimiques et thermiques, permettant une approche prédictive de son comportement. Enfin la réalisation de deux boucles expérimentales, de simulation de systèmes de gestion thermique d'un module de batterie, montre les limites d'un refroidissement classique par air à respecter les critères de management thermique. En comparaison, le second système basé sur l'intégration innovante d'un matériau à changement de phase (MCP) se montre performant lors de situations usuelles, de défauts ou encore lors du besoin d'une charge rapide de la batterie. / This work relates to the thermal study of Li-ion batteries in order to develop an optimized battery thermal management system. The understanding of thermal phenomena at cell scale is essential before to undertake an approach of the battery module or pack. Galvanostatic discharges of two kind of Li ion cells are modeled to highlight thermal phenomena. The complexity of the resistive behavior of Li-ion cell led to the development of an electrochemical-thermal coupled model to get a predictive approach. Then, two experimental tests benches were designed so as to compare two battery thermal management systems (BTMS). Restrictions of air cooling highlight its disability to achieve thermal management criteria. Innovative integration of a phase change material (PCM) was then tested under several uses of the battery module. This new BTMS showed really promising performances during intensive driving cycles, failure tests, and when a fast charge is needed.