Lithium-Ionen-Akkus

Wie sich Akkuzellen mit CAE schneller optimieren lassen

04.04.17 | Autor / Redakteur: Gaetan Damblanc * / Thomas Kuther

Anwendung Elektromobilität: Akkus sollen immer leistungsfähiger und sicherer werden – nicht nur in E-Fahrzeugen.
Anwendung Elektromobilität: Akkus sollen immer leistungsfähiger und sicherer werden – nicht nur in E-Fahrzeugen. (Bild: Siemens PLM Software)

Der Bedarf an Lithium-Ionen-Akkus ist so hoch wie noch nie. Hier erfahren Sie, wie sich der Entwicklungsprozess von immer sichereren und leistungsfähigen Akkus mit CAE beschleunigen lässt.

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) sind allgegenwärtig, sie werden in Mobiltelefonen, Kameras, Laptops, Autos, Uhren und seit kurzem in Hoverboards eingesetzt. Aber sie kommen auch in größeren Systemen wie Schiffen und Flugzeugen zum Einsatz. Der Bedarf an sicheren und leistungsfähigen Li-Ion-Akkus war jedenfalls noch nie höher.

Zellen- und Batteriepackhersteller arbeiten ständig an höheren Energiedichten (oder spezifischer Energie), höherer Leistungsdichte (oder spezifischer Leistung), mehr Produktsicherheit, längerer Lebensdauer und geringeren Kosten. Eine signifikante Verbesserung eines Batteriekonzepts über das gesamte Operationsspektrum hinweg ist eine große Herausforderung und erfordert die gleichzeitige Optimierung einer Vielzahl von Parametern.

Große Zellen- und Batteriepackhersteller kennen das sehr gut: Es ist sehr zeitintensiv und teuer, all die verschiedenen Materialkombinationen zu testen und zu validieren. Die Beschleunigung des Prozesses und eine Verringerung der Kosten ist ein Ziel, von dem die Batteriehersteller geradezu besessen sind. Ein Teil der Lösung ist CAE (Computer Aided Engineering).

Auf Zellenebene ermöglicht es Battery Design Studio (BDS), eine leistungsstarke Zellendesignsoftware und Zellentestplattform, eine Vielzahl von Zellendesigns in einem Bruchteil der Zeit, die normalerweise für experimentelle Untersuchungen benötigt wird, zu testen (Bild 3). Auf der Ebene des Batteriepacks berechnet das Battery Simulation Module (BSM) von STAR-CCM+ das komplexe elektrothermische Verhalten des gesamten Pakets mit hoher Genauigkeit – dies ist ein entscheidender Baustein in der xEV-Antriebsentwicklung.

So lassen sich hunderte von Designs mit geringem Aufwand testen. Allerdings kostet der virtuelle Aufbau jeder Zelle und jedes Moduls ebenfalls viel Zeit, zudem erfordert es kontinuierliche Simulationen, damit das Design verbessert werden kann. Dies lässt sich durch die Kopplung von BDS und BSM mit einer Designexplorations- und -optimierungssoftware wie HEEDS automatisieren.

Dieser Artikel zeigt, wie eine gut entwickelte, kommerziell verfügbare Zelle im Zusammenwirken von BDS und HEEDS noch weiter optimiert werden kann.

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