gesponsertBatterietechnik Ein Akku – zwei Zellchemien

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Comsol Multiphysics GmbH

Jede Zellchemie hat spezifische Vor- und Nachteile für den Einsatz in Fahrzeugen. IAV hat mithilfe von Simulation ein Doppelbatteriesystem entwickelt, das die Eigenschaften zweier Zellchemien kombiniert.

Ein wichtiges Ziel der Elektrifizierung ist es, seltene Rohstoffe zu vermeiden – ohne Abstriche bei der Energiedichte von Batterien. Lithium-Ionen-Akkus sind der gebräuchlichste Energiespeicher in heutigen Elektrofahrzeugen, obwohl sie teuer und mit Nachhaltigkeits- und Umweltbedenken verbunden sind. Gefragt sind alternative chemische Zusammensetzungen und Designs für die Energiespeicher.

IAV ist eines der weltweit größten Ingenieurbüros. Die Entwicklung von Batterien spielt hier eine entscheidende Rolle. Aufbauend auf bestehenden Designs mit ihren chemischen Zusammensetzungen entwickelte ein Team von Ingenieuren, darunter Jakob Hilgert, technischer Berater des Unternehmens, einen neuartigen Ansatz: ein Doppelbatteriedesign. Es soll mehrere Probleme lösen, mit Blick auf Energiedichte, Haltbarkeit und Wärmemanagement.

Anstatt sich ausschließlich auf Lithium-Ionen-Zellen zu konzentrieren, kombinierten die Ingenieure zwei alternative Batteriechemien miteinander. So entstand ein kostengünstigeres und umweltfreundlicheres System für E-Fahrzeuge. Um den Ansatz erfolgreich zu entwickeln und zu validieren, nutzte IAV multiphysikalische Simulation.

Typische Probleme vermeiden

Das Team der IAV entschied sich für eine Kombination aus einer Natrium-Ionen-Batterie (SIB) und einer Lithium-Eisenphosphat-Solid-State-Batterie (LFP-SSB). Beide ergänzen sich in ihren Eigenschaften vorteilhaft. SIBs gelten als kostengünstiger, ressourcenschonender und besser recycelbar als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Im Gegenzug haben sie meist eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer. LFP-Batterien (Lithium-Eisenphosphat) zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und lange Lebensdauer aus. Ihre Energiedichte ist allerdings geringer als die konventioneller Lithium-Ionen-Zellen. In der Solid-State-Variante lässt sich die Energiedichte hingegen steigern. Durch die Kombination einer SIB mit einer LFP-SSB lassen sich diese unterschiedlichen Eigenschaften gezielt miteinander verbinden. Die Ziele: eine bessere Umweltbilanz, geringere Herstellkosten und eine hohe Energiedichte für anspruchsvolle Anwendungen. „Die schnelle Entwicklung von Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen bedingt eine steigende Nachfrage nach knappen Rohstoffen“, sagt Jakob Hilgert. „Die Diversifizierung der Zellchemie ist ein vielversprechender Ansatz, um auf Marktschwankungen zu reagieren und gleichzeitig die Systemkosten zu minimieren.“

„Wir müssen uns auf Batterien einstellen, bei denen Recycling und Ressourcen eine größere Rolle spielen. Wir können nicht einfach nur die Zelle mit der theoretisch höchsten Energiedichte als unsere Dauerlösung betrachten“, sagt Jakob Hilgert, Technischer Berater der IAV.

Thermische Kompatibilität gewährleisten

Das Doppelbatteriedesign soll neben diesem Vorteil noch etwas beweisen: die thermische Kompatibilität zwischen einer SIB und einer LFP-SSB. Zellen mit flüssigem Elektrolyt haben eine begrenzte thermische Stabilität und müssen gekühlt werden. Das gilt für Natrium- und Lithiumzellen. Temperaturen über rund 60 Grad Celsius sollen vermieden werden. Festkörperzellen können aufgrund ihres festen Elektrolyten bei höheren Temperaturen betrieben werden und benötigen eine höhere Temperatur, um eine nutzbare Ionenleitfähigkeit zu erreichen. Daher müssen die SIB-Zellen in diesem Konzept gekühlt werden, während die SSB-Zellen geheizt werden müssen. „Wenn einige Zellen hohe Temperaturen vertragen und andere niedrige, lässt sich die Abwärme der heißen Zellen nutzen, um die kühleren zu erwärmen – und umgekehrt“, sagt Hilgert. „Deshalb haben wir ein Kühlsystem entwickelt, das die Energie von Zellen, die kühler sein wollen, auf Zellen überträgt, die es wärmer mögen.“ Beide Zellchemien profitieren vom gegenseitigen Wärmeaustausch. Diese Wechselwirkung war eine große Herausforderung für die Optimierung – mittels Modellierung und Simulation aber machbar. Das IAV-Team nutzte dafür die Software „COMSOL Multiphysics“.

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Entwicklung des Batteriesystems

IAV nutzt seit mehr als zehn Jahren die Software, um ihren Design-Workflow zu verbessern. „Wir haben eine Vielzahl spezialisierter Werkzeuge für unterschiedliche Fachgebiete verwendet“, beschreibt Hilgert. „Als wir begannen, mit Batterien zu arbeiten, brauchten wir ein einziges Werkzeug, das all diese Themen abdeckt.“ Der umfassende Workspace der Plattform ermöglicht es, unnötige Prototypen zu vermeiden und Designs einfach zu optimieren. Am Doppelbatteriemodell zum Beispiel können die IAV-Ingenieure verschiedene Parameter anpassen: etwa die Auswirkungen auf die Kühlung bestimmter Schaltkreise oder auf die maximale Leistung der Zellen bei einer bestimmten Temperatur. Anschließend können sie das Design so ändern, dass jede reale Implementierung so effizient wie möglich ist. „Wenn man dieses Wissen hat und nicht alle diese Parameter erraten muss, ist der technologische Reifegrad des Prototyps viel höher“, sagt Hilgert.

Aufgrund der multiphysikalischen Natur der Batteriemodellierung waren die Fähigkeiten der Software für das Entwicklungsprojekt des Doppelbatteriesystems gut geeignet: Die Entwicklung funktionsfähiger Batterien erfordert ein adäquates Thermomanagement, ein Verständnis, wie die Materialien der verschiedenen Zellen innerhalb ihrer Module funktionieren werden, Kenntnisse über die verschiedenen Drücke innerhalb der internen Prozesse in der Batterie und elektrochemisches Verständnis des Ganzen. Außerdem muss verstanden werden, wie sich das Quellen und Schrumpfen während des Ladens und Entladens auf die Mechanik dieser Systeme auswirken kann.

„Ein hochintegrierter modellbasierter Entwicklungsprozess kann genutzt werden, um das Potenzial verschiedener Zellchemien, Designs und Kühlkonzepte zu untersuchen“, sagt Hilgert. „Er reduziert den Bedarf an physischen Prototypen und ermöglicht eine Leistungsoptimierung im Hinblick auf die typischen Anforderungen von Automobilanwendungen.“

Heizen, Kühlen und Designoptimierung

Die IAV-Ingenieure verifizierten die Leistung des Doppelbatteriekonzepts mithilfe einer gekoppelten Multiskalen- und Multidomain-Simulation. Das Team stellte fest, dass das Design während der Konzeptentwicklung wie gewünscht funktionierte und den Weg für ein verbessertes Batteriedesign ebnete. Das Modell zeigte eine sehr schnelle Aktivierung von Solid-State-Zellen bei Bedarf mit einer teilweisen Vorkonditionierung durch die Abwärme der SIB. Das Team optimierte das Thermomanagement der beiden Zellen und reduzierte die Zeit und die Energie, die für die SSB-Aktivierung bei Kälte notwendig ist. „Die Simulationen haben gezeigt, dass es tatsächlich möglich ist, das zu tun, was wir uns vorgestellt haben“, sagt Hilgert. „Die Abwärme kann durch das Kühlsystem transportiert werden, und die Wärmemenge reicht aus, um den anderen Teil der Batterie zu erwärmen.“

Die IAV konnte mit ihrem Modell, das als virtueller Prototyp fungierte, verschiedene Szenarien durchspielen und dabei unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber Umgebungsbedingungen oder Parameterwahlen vergleichen. Dem Team ist es gelungen, die 3D-Zelltemperaturverteilung, die elektrochemische P2D-Modellierung und die 1D-Kühlkreisdynamik in ein Gesamtmodell des elektrischen Antriebsstrangs zu integrieren.

Demokratisierung des Doppelbatteriemodells mit Apps

Sobald die Simulationsspezialisten der IAV ein White-Box-Modell für einen Kunden entwickelt haben, verwenden sie häufig den Application Builder in Comsol Multiphysics, um die Funktion zusätzlich in eine Simulations-App zu verpacken – eine benutzerdefinierte, konfigurierte Benutzeroberfläche mit begrenzten Ein- und Ausgaben. Diese können Kunden intern für eigene Simulationen nutzen und die Ergebnisse in ihrem jeweiligen Kontext auswerten. Die Benutzer der App benötigen keine detaillierten Kenntnisse des zugrunde liegenden komplexen Modells. Stattdessen sind die Simulations-Apps so konzipiert, dass sie einfach zu bedienen und robust sind, was sie ideal für Kunden macht, die „diese Simulationsaufgaben an Personen verteilen wollen, die normalerweise keine Modellierung durchführen“, beschreibt Jakob Hilgert.

„Wir können mit der Grundfunktion beginnen und sie an alle verteilen, und niemand wird Probleme damit haben, sie zu nutzen. Später, wenn die Dinge detaillierter werden, können wir die Apps mit der Anwendung wachsen lassen und mehr Physik, mehr Optionen, mehr Schaltflächen hinzufügen“, erklärt Hilgert.

IAV-Ingenieure verwenden „COMSOL Compiler“, um ihre Simulations-Apps in eigenständige ausführbare Dateien umzuwandeln, die sie zusammen mit den White-Box-Versionen der zugrunde liegenden Modelle an ihre Kunden senden. Diese können sie dann ohne Comsol-Lizenz ausführen. Das erleichtert den Einsatz von Simulationen in verschiedenen Entwicklungsumgebungen. Im Fall des Doppelbatteriedesigns können Kühlsystemingenieure parallele Optimierungsberechnungen durchführen. Der optimierte Zugriff auf Simulationsergebnisse führt zu effizienteren Entwicklungsprozessen und deutlich höherer Akzeptanz der modellbasierten Entwicklung intern und bei Kunden von IAV.

Die Fernsteuerung der von IAV entwickelten Apps erfolgt mittels Java-Code, der über die API der Comsol-Software bereitgestellt wird. Mit dieser Fernsteuerung können Nutzer sich wiederholende Modellierungsschritte automatisieren. Das Team implementiert auch Functional-Mock-up-Unit-Interfaces, die es mit Fahrzeugsimulationsumgebungen in Drittanbietersoftware für die Co-Simulation koppelt.

Nutzer der Doppelbatterie-App erhalten die Spannung, den Ladezustand, die Temperaturen und die Verlustleistung als Eingaben für das Batteriemanagementsystem und das Kühlsystem. Konstrukteure können die internen Zellzustände über diese Apps einsehen und Änderungen am Kühlsystem vornehmen, während sie die unterschiedliche Batterieleistung bewerten.

Der Weg zur besseren Batterie

IAV sieht in ihrem Doppelbatteriekonzept ein mögliches Vorbild dafür, wie sich selbst gegensätzliche Anforderungen in der Batterietechnologie durch clevere Kombinationen erfüllen lassen. „Der Doppelbatterie-Ansatz bietet Automobilherstellern und Batterieentwicklern mehr Möglichkeiten zur Problemlösung“, sagt Hilgert. „Er zeigt auch, dass es möglich ist, Zukunftstechnologien mit ganz unterschiedlichen Prinzipien in bestehende Rahmenbedingungen zu integrieren.“

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