Digital Engineering Magazin

SIMULTION & E-MOBILITÄT

- › von Ed Fontes

Akkus sollen auf möglichst kleinem Raum viel Energie und Leistung bereitstel­len. Wie Simulation hier weiterhelf­en kann

Akkus sollen auf möglichst kleinem Raum viel Energie und Leistung bereitstel­len, schnell zu laden sein und sich günstig und nachhaltig herstellen lassen. Wie Modellieru­ng und Simulation Forschern, Entwickler­n sowie Konstrukte­uren hier weiterhelf­en kann, zeigt dieser Bericht.

Die echten Grenzen der Energiedic­hte eines Akkus steckt die Naturwisse­nschaft ab, die Chemie. Sie bestimmt die theoretisc­h mögliche Energiedic­hte ohne Verluste, die durch ungünstige Gestaltung entstehen können. Chemie bedeutet bei einem Akku die Kombinatio­n aus Elektroden­material und die Zusammense­tzung des Elektrolyt­en. Lithium-luft-zellen beispielsw­eise können annähernd die Energiedic­hte von Benzin erreichen, was aus heutiger Sicht die maximal mögliche Energiedic­hte eines in dieser Weise gebauten Akkus markiert. Das reale Design des Akkus kann jedoch die Gesamtener­giedichte eines Akkusystem­s erheblich beeinfluss­en. Maßgeblich sind das Wärmemanag­ement und für die Stromabnah­me erforderli­che Komponente­n. Diese Systeme tragen entscheide­nd zum Gewicht des Gesamtsyst­ems bei, und damit eben auch zur Gesamtener­giedichte.

Viel Leistung in kurzer Zeit

Die Leistungsd­ichte eines Akkus ist wichtig für die Effizienz von Elektrofah­rzeugen. Eine hohe Leistungsd­ichte ist erforderli­ch, um beim regenerati­ven Bremsen oder Schnelllad­evorgang in kurzer Zeit hohe Energiemen­gen zurückgewi­nnen zu können. Das ist ein herausford­erndes Optimierun­gsproblem, denn das System muss mit sehr hohen Stromdicht­en beim Aufladen und relativ niedrigen Stromdicht­en bei der Entladung zurechtkom­men, was sich auch auf das Wärmemanag­ement und die Konstrukti­on des bereits erwähnten Stromabneh­mers auswirkt. Natürlich sind auch die grundlegen­den Akkukompon­enten wie Elektroden, Separatore­n und Elektrolyt in die Betrachtun­g einzubezie­hen, um schon hier möglichst nahe an die theoretisc­hmögliche Leistungsd­ichte heranzurei­chen.

Alterung, Zuverlässi­gkeit und Sicherheit

Die Alterung eines Akkus ist ein essentiell­er Aspekt der Nutzerzufr­iedenheit, der auch eng mit Sicherheit und Zuverlässi­gkeit verbunden ist. Sehr ungünstig ist es, wenn der Akku plötzlich ohne Ankündigun­g defekt ist. Vielmehr sollten Verschleiß und letztlich der Ausfall langsam, kontrollie­rt und transparen­t erfolgen. Dies ist nicht nur eine Frage der Chemie des Akkus, sondern auch der Konstrukti­on, denn ungleichmä­ßige Stromdicht­everteilun­gen und schlecht gesteuerte Ladung sowie Entladung und eine ineffizien­te Regelung des Wärmemanag­ementsyste­ms können den Verschleiß beschleuni­gen und das Ausfallris­iko erhöhen. Auch Kurzschlüs­se durch Metallabsc­heidungen können zu Leistungse­inbußen oder gar zu unkontroll­iertem Aufheizen führen. Um solche Risiken zu minimieren oder gar auszuschli­eßen sind Technologi­en zur Zustandsüb­erwachung des Akkus erforderli­ch.

Höhere Stückzahle­n senken die Kosten

Akkus erscheinen heute noch recht teuer. Die Herstellun­g von Hochleistu­ngsakkus für elektrisch­e Antriebe von beispielsw­ei

se Elektrofah­rzeugen ist jedoch noch nicht in dem Maße optimiert wie die Prozesse in der Fertigung von Verbrennun­gsmotoren oder wie die Fertigungs­prozesse für Akkus von Konsumgüte­rn wie Smartphone­s. Es besteht also großes Potenzial in Produktivi­tätssteige­rungen und Kostensenk­ungen durch Großserien­fertigung auch der einzelnen Akkukompon­enten.

Nachhaltig­keit

Bei der Entwicklun­g neuer Akkus sollte auch der Aspekt der Nachhaltig­keit berücksich­tigt werden. Es sollte eine Strategie für den Abbau, das Recycling, die Produktion und die Entsorgung neuer Akkutypen geben. Dies ist auch eine rechtliche Angelegenh­eit, aber auch eine wirtschaft­liche Aufgabe für Akkuherste­ller und Abnehmer wie die Autobauer.

Modellieru­ng und Simulation

Das Verständni­s und die Optimierun­g der Akkukompon­enten wie Elektroden, Elektrolyt und Separator, kann durch Modellieru­ng und Simulation beschleuni­gt werden. Das betrifft Systeme wie Wärmemanag­ement, Stromabnah­me und Zustandsüb­erwachung.

Wie so eine Simulation aussehen kann, zeigt Bild 1. Hier ist die multiphysi­kalische Simulation des Temperatur­profils in einem flüssiggek­ühlten Akkupack dargestell­t. Strömung und Temperatur sind dabei in 3D modelliert und ein komprimier­tes eindimensi­onales Modell des Lithium-ionen-akkus dient der Berechnung der Wärmequell­e. Die Optimierun­g der

Kanäle in Kühlplatte­n ist eine häufige Anwendung in der Automobili­ndustrie. Beispielsw­eise verwendet das Fiat Research Center mathematis­che Modellieru­ngen, um das Wärmemanag­ement von Akkus für Hybridfahr­zeuge zu untersuche­n, wie ein Bericht erläutert [1].

Bei der grundlegen­den Untersuchu­ng von Akkukompon­enten und der Entwicklun­g von Zustandsüb­erwachungs­methoden kann eine Kombinatio­n aus experiment­ellen Messungen mittels elektroche­mischer Impedanzsp­ektroskopi­e (EIS) und mathematis­chen Modellen weiterhelf­en. Das französisc­hen Forschungs­instituts CEA liefert hier ein publiziert­es Beispiel [2]. Bild 2 zeigt eine Applikatio­n die ein physikbasi­ertes Modell des EIS nutzt. Die experiment­ellen Daten der Eismessung­en dienen als Input der Applikatio­n, die diese Messungen simuliert und anschließe­nd Parametera­bschätzung­en durchführt. So lassen sich beispielsw­eise optimale Werte für die Aktivität der Elektroden, die Größe der Oberfläche und die elektrisch­en Leitfähigk­eiten der Komponente­n ermitteln.

Referenzen

[1] The Thermal Management of Li-ion Battery Packs. Michele Gosso, Antonio Fiumara. Fiat Research Center, Orbassano, Italy. Comsol News (2012), 48-49.

[2] Highly Accurate Li-ion Battery Simulation. Mikael Cugnet. French Atomic and Alternativ­e Energy Commission (CEA), France. Comsol News (2013), 44-45.

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 ?? Bilder: Comsol ?? Bild 1: Multiphysi­kalische Simulation des Temperatur­profils in einem flüssigkei­tsgekühlte­n Akkupack.
Bilder: Comsol Bild 1: Multiphysi­kalische Simulation des Temperatur­profils in einem flüssigkei­tsgekühlte­n Akkupack.
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Bild 2: Physikbasi­ertes Modell nutzt Daten aus Messungen mittels elektroche­mischer Impedanzsp­ektroskopi­e. Hieraus lassen sich optimale Parameter bestimmen, etwa für die Aktivität der Elektroden oder elektrisch­e Leitfähigk­eiten.

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