Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung von Batterien und damit, wie virtuelle Test- und Softwarelösungen die Entwicklung batteriebetriebener Produkte beschleunigen und verbessern und gleichzeitig die Markteinführungszeit verkürzen können.
Batterieingenieure auf der ganzen Welt stehen derzeit unter enormem Druck bei der Batterieentwicklung. Die Unternehmen verlagern ihre Strategien in einem noch nie dagewesenen Tempo in Richtung Elektrifizierung. Bei den Trends zur E-Mobilität häufen sich die Ankündigungen, die Entwicklung von Benzinautos zu beenden. So hat beispielsweise Mercedes-Benz als einer der Autohersteller seine Ausstiegsstrategie vorgestellt - sehr ehrgeizig will man ab 2025 nur noch vollelektrische Plattformen auf den Markt bringen.
Die Entwicklungsteams in der Industrie stürzen sich jetzt darauf, diese Versprechen zu erfüllen. Die talentiertesten Ingenieure stehen dabei vor großen Herausforderungen. Batterien sind ein sehr komplexes elektrochemisches System, das sich mit der Zeit verschlechtert. Praktisch gesehen führt der Kapazitätsabfall zu einer sinkenden Reichweite, während der Anstieg des Widerstands die verfügbare Leistung verringern kann - vor allem wahrscheinlich während des Ladevorgangs, der mit der Zeit länger dauern kann.
Um den Kunden während der gesamten Lebensdauer der Fahrzeuge ein hervorragendes Erlebnis zu einem angemessenen Preis zu bieten, müssen die Ingenieure für die Entwicklung von Elektroauto-Batterien die Auswirkungen der Nutzung auf das Fahrzeug bewerten, wobei mehrere Parameter außerhalb ihrer Kontrolle liegen. So spielt zum Beispiel die Geografie eine Rolle. Heißere oder kältere Klimazonen, flache oder hügelige Landschaften wirken sich auf die Alterung der Batterie aus.
Das Verhalten des Fahrers, wie z. B. der Fahrstil oder die Nutzung von Hochleistungsladungen, kann zwar in gewissem Maße beeinflusst werden, kann sich aber dennoch erheblich unterscheiden - und Hochleistungsladungen haben einen großen Einfluss auf die Batteriealterung. Die Bereitstellung des idealen Systems mit der zulässigen Entladetiefe, dem Wärmemanagement, der Größe und dem Batterietyp ist von entscheidender Bedeutung. Nächster Schritt - Auswahl von Zellen und Entwurf von Batteriesystemen zur Maximierung des Wertes von Batteriespeichersystemen.
Um das Verhalten der Batterie unter verschiedenen Bedingungen und für verschiedene Anwendungsfälle zu verstehen, haben Ingenieure mehrere Möglichkeiten. Erstens bieten die Zellhersteller bereits Einblicke und Garantien für die Leistung der Zellen im Feld. Diese sind zwar begrenzt, ermöglichen aber einen ersten Vergleich von Zellen auf dem Papier und eine Vorauswahl relevanter Zelllieferanten, Chemien und Formate.
Um tiefer in diese Zellen einzutauchen und ihre spezifischen Anwendungen und Anforderungen zu bewerten, müssen die Ingenieure nun auf Tests oder Simulationen des Batterieverhaltens zurückgreifen. Tests liefern großartige Ergebnisse, aber sie sind oft unerschwinglich teuer und es dauert Jahre, bis sie zuverlässige Ergebnisse liefern. Simulationen liefern bessere und schnellere Ergebnisse. Vor allem, wenn sie frühzeitig zur Verfügung stehen.
Hier kommt die TWAICE Batteriemodellbibliothek ins Spiel. Sie bietet Zugang zu zahlreichen originalgetreuen Batteriezellenmodellen der neuesten auf dem Markt erhältlichen Batterien. Diese Modelle simulieren das elektrische, thermische und Alterungsverhalten für jedes beliebige Lastprofil, d. h. die Nutzung.
Die Simulationsmodelle können einfach von der TWAICE Analytik Plattform heruntergeladen werden. Auf der Plattform finden die Ingenieure alles, was sie über die Batteriezellen und die entsprechenden Modelle wissen müssen, auf einen Blick. Sobald das Modell heruntergeladen ist, kann der Ingenieur es in seiner bevorzugten Simulationsumgebung verwenden - standardmäßig ist es in Matlab® Simulink® enthalten.
Schauen wir uns genauer an, was möglich ist, sobald die Modelle heruntergeladen und einsatzbereit sind.
Ganz am Anfang der Batterieentwicklung geht es darum, eine geeignete Zelle zu finden. Ingenieure können die Modelle nutzen, um die in die engere Wahl gekommenen Zellen virtuell zu testen und die Leistungen für ihren spezifischen Anwendungsfall zu vergleichen. Dies spart eine Menge Geld und Zeit im Vergleich zu Tests im Labor. Dennoch können sie das elektrische, thermische und Alterungsverhalten der Zellen im Laufe der Zeit genau beurteilen und sicherstellen, dass die Zelle eine hohe Kundenzufriedenheit erzielt, ohne übermäßig teuer zu sein.
Sobald Ingenieure die richtige Zelle ausgewählt haben, lässt sich aus den Modellen ein besseres Verständnis für die Anforderungen des Gesamtsystems ableiten. Sie ermöglichen es uns, schnell zu verstehen, wie sich Batterien verhalten (elektrisch und thermisch) und abbauen (Energie und Leistung). Auf der Grundlage dieser Informationen können die allgemeinen Dimensionen des Systems und die Anforderungen an die Zusatzkomponenten ermittelt werden. Ein klareres Bild der erforderlichen Spezifikationen, z. B. der Kühlungsanforderungen im Laufe der Zeit, hilft, das Endprodukt zu verbessern.
Kurzum, die TWAICE-Batteriemodellbibliothek macht die Batterieentwicklung wirtschaftlicher und schneller und führt zu einem besseren Gesamtsystemdesign.
Wie bereits erwähnt, ist die frühzeitige Verfügbarkeit von Modellen einer der Schlüssel zum Erfolg. Bei TWAICE haben wir die Erstellung solcher Modelle optimiert. Zahlreiche Modelle von kommerziell erhältlichen Zellen sind bereits verfügbar und jede Woche kommen neue hinzu. Die Erstellung dieser Simulationsmodelle sowie proprietärer Modelle für Kunden mit kundenspezifischen Zellen erfordert Daten - Daten, die wir in unseren eigenen Testzentren erzeugen.
In diesen hauseigenen Batterietestzentren kalibrieren wir unsere Software und Simulationsmodelle auf der Grundlage einer begrenzten Anzahl von Tests mit einem innovativen Ansatz. Unter anderem setzen wir ein künstliches neuronales Netz ein, um ein bestehendes Modell anzupassen. Dieses Modell basiert auf jahrelangen Messungen an verschiedenen Zellchemien und -formaten und bildet die Grundlage für alle weiteren Entwicklungen. Nachdem die Batteriezellen parametrisiert sind, wird die Genauigkeit in zusätzlichen Tests validiert.
Auf der Grundlage unserer umfangreichen Testerfahrung arbeiten wir auch an Softwarelösungen zur Optimierung der Handhabung von Batteriedaten und Labordaten Analytik.
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