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Grüne Batterie
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Aufbruch in die Zukunft – moderne Fahrzeugbatterien
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Aufbruch in die Zukunft – moderne Fahrzeugbatterien

Die Elektromobilität braucht leistungsfähigere Batterien. Diese können mit Simulationstechnologie schneller erbropt werden

Die zukünftige Einführung und erfolgreiche Markteinführung elektrisch angetriebener Fahrzeuge hängt vor allem von Kosten, Lebensdauer, Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingebauten Batterietechnologie ab. Heutzutage hat die Simulation entscheidenden Anteil an der Markteinführung von Autobatterien, die Anwendungen reichen dabei von der Integration elektrochemischer Modelle auf niederster Ebene bis hin zu Systemsimulationen der Alterung, Leistung und Degeneration, um so das gesamte System besser zu verstehen.

Dieser Artikel beschreibt ein vor kurzem fertiggestelltes Entwicklungsprojekt, das sich an die Automobil- und Lithium-Ionen-Akkuindustrie wendet. Ziel ist es, Entwicklungszeiten zu reduzieren und die Markteinführung moderner Elektroauto Antriebssysteme zu ermöglichen. Das Projekt wurde vom Vehicle Technologies Office des US-Energieministeriums (DOE) unterstützt und vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) gesteuert. Es war ein Teil des Wettbewerbs Computer Aided Engineering of Electric Drive Batteries (CAEBAT), der vom DOE im Jahr 2010 ins Leben gerufen wurde. Die Verbesserung der Batteriesimulationstechnologie ist für den wachsenden Markt der Elektrofahrzeuge ein wichtiger Faktor. Die Anwendung dieser Technologien im Entwicklungsalltag ermöglicht es, die ambitionierten Ziele der USA im Bereich der Elektromobilität zu erreichen – ein Ziel ist es, in zehn Jahren Elektroautos zum selben Preis wie Verbrennerfahrzeuge anbieten zu können.

Herausforderungen in der Batterieentwicklung

Kosten, Reichweite, Ladezeiten, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Batterielebensdauer – dies alles sind wichtige Faktoren, um Elektroautos kommerziell interessant und brauchbar zu machen. Bisher waren prototypengetriebene Zellenkonstruktion und Qualifizierungsprüfung, beispielsweise Zyklentests (bei denen Zellen über längere Zeit abwechselnd ge- und entladen werden) der „Goldstandard“ im Zellendesign. Bei einer projektierten Lebenszeit von 10-15 Jahren ist Sicherstellen dieser Lebenzdauer eine Herausforderung für die Entwickler, denn es ist stark von Unwägbarkeiten abhängig, beispielsweise wechselnden Betriebstemperaturen und  Umweltbedingungen. Aktuelle Simulationstools, die Strömungs-, Wärme- und Elektrochemie-Modelle enthalten, sind inzwischen für die Entwicklung von Elektroautos geeignet. Eine Herausforderungen sind die Größenordnungen, die eine solche Simulation erfasst: Von den Mikrostrukturen der Elektrochemie über den detaillierten Zellaufbau und die Modul- und Packungsanalyse bis hin zur Batterie als Teil von Systems Engineering-Simulationen. Mit den letzten Entwicklungen in der Simulationstechnologie ist es möglich, Batterien unter verschiedenen Parametersets zu analysieren, um ohne langwierige Tests an physikalischen Prototypen Lebensdauervorhersagen zu treffen. Darüber hinaus ermöglicht es die Simulation, schnell und kostengünstig das Temperatur- und Energiemanagement der Batterie ebenso zu optimieren wie die Integration in das Gesamtsystem und die Batterietechnologie insgesamt.

Das Projekt

Im Juni 2011 startete CD-adapco™ ein Softwareentwicklungsprojekt, das vom Vehicle Technologies Office des US-Energieministeriums (DOE) mitfinanziert wurde. Das Projekt reicht zurück zu einem Request for Proposal (RFP), das vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) unter dem Titel “Development of Computer Aided Design Tools for Automotive Batteries” verwaltet wird. Die CD-adapco-Software STAR-CCM+® war zu dieser Zeit schon in der Lage,Strömungs- Wärmeübertragungs- und elektrochemische Analysen an Lithium-Ionen-Taschenzellen durchzuführen. Der eingereichte Projektvorschlag umfasste die Erweiterung dieser Fähigkeiten auf alle Zell-Bauformen, vor allem auf die sehr schwierig zu simulierenden spiralförmig aufgewickelten Typen. Diese aufgewickelten Typen sind für Anwendungen im Straßenverkehr sehr interessant, weil sie in stabilen Metallbehältern untergebracht und so für den Einsatz in Fahrzeugen besonders gut geeignet sind. Durch die Verknüpfung von Strömungs- Wärmeübertragungs- und elektrochemischer Simulation in einer Softwareumgebung lassen sich sehr genaue Analyseergebnisse über mehrere Größenordnungen und Berechnungsdomains hinweg erreichen.

Das Team

Um ein solches Projekt angehen zu können, benötigte CD-adapco Partner, die die notwendige Technologie und Möglichkeiten zur Validierung beisteuerten, um den Wert und die Genauigkeit der vorgeschlagenen Methode zu demonstrieren. Eine offensichtliche Wahl für die Unterstützung im Bereich der Mathematik und Problemdefinition war Battery Design LLC, ein langjähriger Partner des Unternehmens im Bereich der Batterieanalyse. Der zweite Partner war Johnson Controls Inc, die eine breite Palette gewickelter Zellen im Programm haben, die sich für die Validierung der neuen Methoden eigneten. Das Team komplettierte A123, deren Taschenzelle zur Validierung der Methoden über alle Bauarten diente.

Die Modellierung der Batterie

Als das Team zusammengestellt war und das Auswahlgremium der Finanzierung zugestimmt hatte, startete das Projekt im Juni 2011. Bild 1 zeigt einen schematischen Überblick der verschiedenen Projektphasen. Die erste Phase umfasste die detaillierte Entwicklung von Software sowie die Erstellung eines industriell relevanten und einfach zu bedienenden elektrochemischen und thermischen Modells, das sich für gewickelte Akkutypen eignete. Die daraus resultierende Softwaretechnologie ist sowohl auf Zell- als auch auf Modulniveau nutzbar. Die Auflösung des Modells ist vom Anwender je nach gewünschtem Ergebnis und Genauigkeitsgrad einstellbar.

Der Prozess beginnt mit den Zellendaten, die vom Hersteller bereitgestellt werden, darunter die physikalischen Maße der Zelle und ihre chemische Charakteristik. Diese Daten werden auf dem Niveau des Zellmodells genutzt, um einige unbekannte Modellparameter einzustellen, die die Leistung betreffen. So lässt sich ein robustes Modell über den gesamten Bereich von Temperaturen, Ladezuständen und Laderaten der Zelle erstellen. Eine iterative Kalibrierungsschleife wird durchlaufen, um sicherzustellen, dass alle Aspekte des Modellverhaltens stimmen.

Im nächsten Schritt wird ein dreidimensionales Modell aufgebaut, bei dem die Elektroden die notwendige Auflösung bieten, um interne elektrochemische und thermale Verläufe aufzulösen. Dies hat großen Einfluss auf die Rechenzeit des Modells, die Steigerung der Modellauflösung ist jedoch eine Voraussetzung für die detaillierteren Arbeiten. Innerhalb des 3D-Modells könnte jeder Bereich

der Elektrode bei einer anderen Temperatur arbeiten, was wiederum großen Einfluss auf die elektrochemischen Vorgänge hat. Das Berücksichtigen dieser Vorgänge ist für eine genaue Vorhersage des Verhaltens der Zelle in einem Kühlsystem unabdingbar. Zudem lassen sich die Zellen nun in STAR-CCM+ zu realistischen Modulen beziehungsweise Packungen stapeln und zusammenfassen, um weitere Untersuchungen durchzuführen.

Validierung und Anwendung

In der zweiten Phase des Projekts wurden fünf Zellen, die drei Zellarten repräsentierten – gestapelt, zylindrisch und prismatisch gewickelt, von zwei Herstellern genutzt, um das Rechenmodell weiter zu validieren, diesmal mit realen Fahrzyklen und auf Zell- wie auf Modulniveau.

Um die Simulationsmethodik weiter zu verfeinern, wurde eine Datenbank mit zwölf aktuellen Elektrolytmischungen, wie sie in modernen Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden, in die Software integriert. Dies ermöglicht eine noch ganzheitlichere physikbasierte Simulation. Ein passendes Modell für die Alterung über die Zeit wurde ebenfalls entwickelt, das mit dem Verhaltensmodell der Zelle gekoppelt werden kann, um gealterte Zellen zu simulieren. Der Ansatz wurde zudem in den Bereich der Systemsimulation erweitert, dabei wird entweder ein elektrochemisches oder ein vereinfachtes Modell genutzt. Schließlich wurden Best Practice-Methoden für die zeitgemäße Entwicklung elektrochemischer Modelle entwickelt und die Simulationsmodelle in STAR-CCM+ integriert. Letzteres ermöglicht kombinierte Strömungs-, Wärme und elektrochemische Simulationen über eine breite Palette von Größenordnungen ohne Redundanz.

Schlussfolgerung

Die in diesem Projekt entwickelten Methoden sind heute zum einen in CD-adapcos Komplettpaket STAR-CCM+ enthalten, zum anderen in der anwendungsspezifischen Software Battery Design Studio®. Beide Lösungen bieten nahtlose Integration zwischen den elektrochemischen und thermalen Disziplinen der Batterieentwicklung. Durch die Kopplung der Strömungs-, Wärme- und elektrochemischen Simulation in einer Umgebung lassen sich sehr realistische Rechenergebnisse erzielen. Diese umspannen mehrere Größenordnungen und Berechnungsbereiche vom Systemmodell bis zu hochauflösenden 3D-Modellen. Der Prozess unterstützt die Entwicklung innovativer Batteriekonzepte, die wiederum energiesparende Technologien ermöglichen, die das ambitionierte US-Ziel der Preisgleichheit zwischen Elektrofahrzeug und Verbrenner näherbringt.

 

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