Entwicklung leistungsfähiger Batterien für die E-Mobility

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entwicklung-leistungsfaehiger-batterien-e-mobilityModerne Fahrzeugbatterien leiten die Zukunft der Elektromobilität ein:

Mit Simulationstechnologien werden heute leistungsfähige Batterien für die Elektromobilität erprobt. Diese sind erforderlich, um die Einführung und Vermarktung elektrisch angetriebener Fahrzeuge zu fördern.

Mit Simulationstechniken die Entwicklungszeiten von Autobatterien verkürzen

Ein neues Entwicklungsprojekt, welches sich an die Automobil- und Lithium-Ionen-Akkuindustrie richtet, wurde vom Vehicle Technologies Office des US-Energieministeriums (DOE) unterstützt und vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) gesteuert. Es gehört zum Wettbewerb Computer Aided Engineering of Electric Drive Batteries (CAEBAT), welcher bereits 2010 gestartet wurde. Mithilfe von Simulationstechniken können leistungsfähige Batteriesysteme entwickelt werden. Ziel ist es, in rund 10 Jahren Elektroautos zum gleichen Preis anbieten zu können wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Eine Herausforderung für die Batterieindustrie

Bisher setzten die Batteriehersteller auf prototypengetriebene Zellenkonstruktionen und Qualifizierungsprüfungen. Beim sogenannten Zyklentest wurden Batterien über einen längeren Zeitraum geladen und wieder entladen. Dieser Standard in der Entwicklung des Zellendesigns unterliegt aber noch weiteren Herausforderungen. So spielen Umgebungstemperaturen und Umweltbedingungen eine weitere Rolle. Mithilfe von speziellen Tools können Strömungs-, Wärme- und Elektrochemie-Modelle simuliert werden, die für die Konstruktion von Elektroautos von Bedeutung sind. Hierbei werden Mikrostrukturen der Elektrochemie über den Zellaufbau, die Modul- und Packungsanalyse bis hin zur eigentlichen Batterie simuliert. Ohne langwierige Tests mit Prototypen können alle erforderlichen Gegebenheiten einer Speicherbatterie simuliert werden. Der Vorteil ist eine schnelle und kostengünstige Entwicklung moderner Fahrzeugbatterien.

Über das Projekt

2011 startete das Softwareentwicklungsprojekt CD-adapco, welches vom Vehicle Technologies Office des US-Energieministeriums mitfinanziert wurde. Die Software mit der Bezeichnung STAR-CCM+ war seinerzeit schon in der Lage, Wärmeübertragungs-, Strömungs- und elektrochemische Analysen an Lithium-Ionen-Akkus durchzuführen. Der damalige Projektvorschlag berücksichtigte auch die Analyse von verschiedenen Zell-Bauformen. Dabei spielten die schwierig zu simulierenden, spiralförmigen Typen eine große Rolle. Diese werden für Anwendungen im Straßenverkehr benötigt, da sie in stabilen Metallbehältern eingesetzt werden und daher für den Einsatz in E-Autos konzipiert sind.

Über das Team

CD-adapco benötigte Partner, die die notwendigen Technologien zur Validierung beisteuern konnten. Dabei sollten der Wert und die Genauigkeit der vorgeschlagenen Methode verdeutlicht werden. Im Bereich der Batterieanalyse wurde Battery Design LLC als Partner mit ins Boot geholt. Darüber hinaus konnte Johnson Controls Inc gewonnen werden, die eine große Palette an gewickelten Zellen zur Verfügung stellten. Schließlich kam auch noch A123 als Taschenzellenhersteller zum Team.

Was bedeutet die Modellierung einer Batterie?

Das o.g. Team und das Gremium für die Finanzierung starteten im Juni 2011 das Projekt. Zuerst wurde die Software entwickelt. Gleichzeitig wurde ein industriell relevantes und leicht zu bedienendes elektrochemisches und thermisches Modell entwickelt, welches sich für gewickelte Akkutypen eignet. Mithilfe der Software lassen sich einzelne Zellen als auch ganze Module analysieren. Der Anwender kann hierbei je nach Ergebnis und Genauigkeit die Auflösung des Modells bestimmen. Notwendig ist, dass der Batteriehersteller seine Zelldaten preisgibt. Diese Daten werden modifiziert, so dass sich ein robustes Batteriemodell erstellen lässt, welches im Bereich Temperatur, Ladezustand und Laderaten optimale Ergebnisse erzielt. Anschließend wird ein dreidimensionales Modell konstruiert, bei dem die Elektroden die notwendigen elektrochemischen und thermischen Vorgänge ausführen können. Sämtliche Parameter sind individuell einstellbar, so dass man nahezu jede Situation simulieren kann. Diese Vorgänge geben ein genaues Zellverhalten wieder. Nachdem einzelne Zellen analysiert wurden, können diese auch zu Modulen zusammengestellt werden. Hieraus ergeben sich dann wiederum neue Erkenntnisse.

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Die zweite Phase des Projekts – die Validierung

In der zweiten Phase werden fünf Batteriezellen, die drei verschieden Zellarten repräsentieren, gestapelt, zylindrisch und prismatisch gewickelt und zwei Herstellern zur Nutzung überlassen. Diese validieren die Batterien unter realen Fahrbedingungen. Die Simulationsmethodik wurde um eine Datenbank ergänzt, die beispielsweise zwölf verschiedene Elektrolytmischungen aus der Lithium-Ionen-Technologie bereitstellt. Bei der Simulation wurde auch ein Alterungsprozess integriert. Im Ergebnis wurden die Best Practice-Methoden herausgestellt und nochmals in den Simulationsmodellen der Software STAR CCM+ integriert. Alle vorgenannten Methoden bieten CD-adapco und Software Battery Design Studio als Komplettpaket an. Ziel ist die Entwicklung innovativer Batteriekonzepte, die energiesparende Technologien nutzen und sich daher für den Einsatz in Elektroautos eignen.

Bildquelle: © Th. Reinhardt / pixelio – www.pixelio.de

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