Verbessern Sie den Entwurf von Batteriesystemen mit Batteriesimulationsmodellen

Verbessern Sie den Entwurf von Batteriesystemen mit Batteriesimulationsmodellen

Einleitung

Batterien sind von zentraler Bedeutung für den Übergang zur kohlenstofffreien Mobilität. Mercedes-Benz ist nur das jüngste in einer langen Reihe von Unternehmen, die sich zu einer rein elektrischen Produktpalette verpflichten. Außerhalb der Automobilbranche sind diese Batterien bereits eine Schlüsseltechnologie.  

Bei der Entwicklung von Produkten mit Batterien, seien es Elektrofahrzeuge oder Energiespeichersysteme, ist es von entscheidender Bedeutung, von Anfang an die richtige Batterie zu wählen. Die Batteriesimulationsmodelle von TWAICE helfen Ingenieuren, bei der Entwicklung eines Batteriesystems schnell die richtigen Entscheidungen zu treffen, was zu geringeren Risiken, höherer Zuverlässigkeit und schnellerer Markteinführung führt.

Wenn Ingenieure Batteriesysteme für elektrische Produkte entwerfen, muss die Batterie bestimmte Anforderungen erfüllen: Sie muss die richtige Konfiguration haben, um in den verfügbaren Raum zu passen, und sie muss die für den jeweiligen Anwendungsfall erforderliche Leistung und Energiekapazität liefern. Vor allem müssen diese Anforderungen auch noch nach Jahren des Betriebs erfüllt werden, nicht nur in den ersten paar Jahren. Produkte, die sich nach einigen Jahren der Nutzung verschlechtern, könnten den beabsichtigten Geschäftszweck gefährden und den Ruf des Unternehmens schädigen.

Die Anforderungen, die bei der Entwicklung einer Batterie erfüllt werden müssen, lassen sich in zwei zentralen Fragen zusammenfassen: Welche Energie- und Leistungseigenschaften muss meine Batterie haben, damit sie optimal für mein Produkt geeignet ist, und wie kann ich sicherstellen, dass diese Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer des Produkts gegeben sind? 

Diese lassen sich weiter aufschlüsseln:

• Welches Zellenformat und welche Chemie passen am besten zu den Anforderungen?
• Wie viel Platz steht in der Anwendung zur Verfügung, und was bedeutet das im Hinblick darauf, wie viele Zellen ich in diesen Platz einbauen kann?
• Welches Kühlsystem kann ich verwenden?
• Wie wirkt sich die Alterung auf meine Leistungs- und Energiekapazität aus und welche Auswirkungen hat dies auf mein Batteriedesign?
• Wie beeinflusst das Lastprofil die Alterung? Wird zum Beispiel ein hoher Ladestrom zu einer schnellen Alterung der Zelle führen. Kann ich ihn reduzieren und meinen Kunden trotzdem zufrieden stellen?
• Wenn ich die von mir gewählte Zelle für meine Betriebsstrategie für die spezifische Anwendung verwende, wie wahrscheinlich ist es, dass ich die für die Batterie erforderlichen Garantiebedingungen erreiche?

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, könnten Batterien unter verschiedenen Bedingungen getestet werden. Dies wäre jedoch sehr zeit- und kostenintensiv und würde die Zeit bis zur Markteinführung des Produkts erheblich verlangsamen. Die Batteriemodellierung wird daher eingesetzt, um die Notwendigkeit physischer Tests zu verringern, was die Kosten senkt und die Zeit bis zur Marktreife verkürzt.

Das TWAICE-Batteriemodell

Das TWAICE-Batteriezellenmodell ist ein gekoppeltes elektrisches, thermisches und Alterungsmodell. Elektrische, thermische und Alterungsfaktoren beeinflussen sich gegenseitig (z. B. führt der Betrieb einer Batterie bei höheren Temperaturen in der Regel zu einer schnelleren Alterung), so dass die Berücksichtigung all dieser Faktoren zu einem realistischeren Ergebnis führt als bei einem nicht gekoppelten Modell (oder bei einem Modell, das z. B. die Alterung nicht berücksichtigt).

Das elektrische Modell simuliert die elektrische Leistung der Zelle, z. B. Spannung und Ladezustand. Das thermische Modell simuliert die Temperatur der Zelle. Das Alterungsmodell simuliert die kalendarische und zyklische Leistung der Zelle (ausgedrückt in Form von State of Health Kapazität und State of Health Widerstand).

Alle Zellen verhalten sich einzigartig, daher parametrieren die TWAICE-Batterieexperten jedes Modell speziell für jede Zelle. Für jede Kombination von Format und Chemie ändern sich die Parameter des Modells, da ein anderes Zellverhalten nachgebildet werden muss. Das bedeutet, dass TWAICE Simulationsmodelle anbietet, die für Kunden für ihre spezifischen Anwendungsfälle maßgeschneidert sind, obwohl die Modelle auf der gleichen Technologie basieren.

Die elektrischen, thermischen und Alterungskomponenten des TWAICE-Batteriemodells werden ständig mit den neuesten technologischen Entwicklungen aktualisiert. Jedes Quartal wird eine neue Version des Modells veröffentlicht, um eine kontinuierliche Verbesserung der Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die neueste Version (Oktober 2022) umfasst beispielsweise die Einführung von Float Current Messungen im Alterungsmodell und ein vollständiges update des elektrischen Modells über die Lebensdauer mit angepassten Modellfitting und entsprechender Messtechnik.

Vorteile des TWAICE-Batteriemodells

Die TWAICE-Batteriemodelle helfen Ingenieuren dabei, das optimale Systemdesign für ihren spezifischen Anwendungsfall zu finden. Mit den TWAICE-Batteriemodellen können Sie:

Wählen Sie die optimale Zelle

Simulieren Sie das Alterungsverhalten der Zelle, um zu verstehen, wie verschiedene Batteriezellen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen altern werden. Dies hilft den Ingenieuren bei der Auswahl der am besten geeigneten Zelle für den jeweiligen Anwendungsfall.

Vermeiden Sie Überdimensionierung

Unternehmen überdimensionieren Batteriesysteme oft, um sicherzustellen, dass sie langfristig über genügend Leistung und Energie verfügen. Dies bedeutet, dass mehr Zellen und Komponenten benötigt werden, was zu höheren Kosten führt. Die Simulation der Batterieleistung zum Verständnis der Batteriedegradation bedeutet, dass die Überdimensionierungsmargen reduziert werden können, was wiederum Kosten spart.

Optimierung der BMS-Funktionalität

Ermitteln Sie die optimalen Betriebsbedingungen für die Batterie, um Batteriemanagementsysteme zu konfigurieren und als Input für Garantien zu verwenden.

Wie können Sie das TWAICE-Batteriemodell verwenden?

Für die Verwendung des TWAICE-Batteriemodells ist ein Simulationstool wie Matlab Simulink erforderlich. Simulationen können auf zwei Arten durchgeführt werden: mit dem Simulation Study Automation Toolkit, das mit Excel verwendet werden kann, oder direkt in einem Simulationsprogramm. Die Benutzer können verschiedene Dateneingaben machen:

• Zeitreihe: Diese gibt den Zeitrahmen des Modells vor - ob 10 Monate oder 10 Jahre
• Umgebungstemperatur: die Außentemperatur, bei der die Batterie betrieben wird, z. B. 30 Grad Celsius
• Strom oder Leistung: die Lastprofile, mit denen die Batterie arbeiten soll, zum Beispiel Lade- und Entladeprofile.

In jedem Zeitschritt verarbeitet das parametrisierte Modell dann die eingegebenen Daten und gibt eine entsprechende elektrische, thermische und Alterungsantwort in Form von Strom, Spannung, Ladezustand, Temperatur, Gesundheitszustand usw. aus.

Diese Ergebnisse können analysiert werden, um z. B. zu verstehen, wie das gewählte Lastprofil und die Temperaturbedingungen die Alterung der Zelle und damit die nutzbare Leistung beeinflussen. Bei Verwendung des Modells in einer Systemsimulationsumgebung können die Informationen auch an andere Modelle, z. B. den Elektromotor, weitergegeben werden.

Mit dem Simulation Study Toolkit können Sie diese Simulationen direkt in Excel ausführen. Sie können mehrere Simulationen zu einer Warteschlange hinzufügen, die automatisch nacheinander ausgeführt werden, so dass Sie keine Daten in Matlab/Simulink eingeben müssen. Die Ergebnisse werden automatisch gespeichert, so dass Sie sie jederzeit abrufen können. Wenn Sie auf eines Ihrer Simulationsergebnisse klicken, wird automatisch ein Visualisierungsdiagramm angezeigt, so dass Sie Ihre Ergebnisse leicht lesen und interpretieren können, was Ihren Entscheidungsprozess beschleunigt.

Ihre Vorteile

• Führen Sie mehrere Simulationen mit minimalem Aufwand durch, um große Simulationsstudien einfach zu entwerfen, durchzuführen und zu interpretieren.
• Sie erhalten einen klaren Überblick über alle Ihre Simulationen in einer Liste, die Sie jederzeit überprüfen oder mit Kollegen teilen können, und können sie in den Formaten .mat, .csv und .xlsx herunterladen.
• Führen Sie Simulationsstudien durch, auch wenn Sie kein Experte in Matlab oder Simulink sind.

Schlussfolgerung

Batteriesimulationsmodelle sind von grundlegender Bedeutung, wenn es darum geht, den Batterietestprozess zu beschleunigen, und bieten wertvolle Einblicke in die Batteriealterung und -leistung zu einem Bruchteil der Kosten. Die TWAICE-Batteriemodelle helfen Ingenieuren dabei, schnell und einfach die richtige Batteriezelle für ihren Anwendungsfall zu finden. Mit dem gekoppelten Batteriemodell für elektrische und thermische Alterung in Kombination mit dem Simulation Study Toolkit für maximale Benutzerfreundlichkeit können Ingenieure schnell die benötigten Ergebnisse erhalten, was Batterieentscheidungen beschleunigt und letztendlich die Markteinführung von Produkten verkürzt.