magazine - Das Virtuelle Fahrzeug

Batteriemodelle:
Kosten und Lebensdauer
Die Themen Kosten und Sicherheit dominieren die Einführung der Elektromobilität. Die Erkenntnis, dass die
reinen Elektrofahrzeuge nicht die CO 2-Emmisionsproblematik lösen werden, ist in der Fachwelt als „Common
Sense“ verstanden worden. Elektromobilität wird sich also in einem intelligenten Verbund von etablierten
Technologien und einer Erweiterung um den elektrischen Antriebsstrang durchsetzen. Damit steigen die
Anforderungen an das Verständnis der Alterungszusammenhänge von Energiespeichern.
Die anstehende Elektrifizierung
Die zunehmende Elektrifizierung der individuellen
Mobilität bringt neue Komponenten ins
Fahrzeug, die das technische Spannungsfeld
und die damit verbundenen Herausforderungen
für diese Produkte erhöhen. Die Antriebsstrangkomponenten
wie elektrische Maschinen, die
notwendige Stromrichtertechnologie und die
Energiespeichertechnologien werden derzeit
als Produkt formuliert oder sind bereits in ersten
Lösungen am Markt erhältlich. Neben der
Variante der Hybride (in diesem Zusammenhang
sind hybride Technologien aus Verbrennungskraftmaschine
und elektrischem Antrieb
gemeint), wie sie bereits gut am Markt erhältlich
sind, bringen die Hersteller erste Fahrzeuge mit
einem höheren Grad an Elektrifizierung auf den
Markt. Diese Technologien werden als PlugIn-
Varianten mit größerem Energiespeicher für
erste praktikable Reichweiten (in etwa 30 bis 50
km) im rein elektrischen Fahrmodus bezeichnet,
bis hin zu rein elektrischen Fahrzeugen,
die derzeit noch ein Nischendasein fristen.
Batteriemodelle - Status und
Erwartungen
Die Modellierungsansätze von elektroche-
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau und Funktion einer Lithium-Ionen Zelle
Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF
16 magazine Nr. 11, I-2012
mischen Zellen sind so vielfältig wie die Variantenvielfalt
der möglichen Zusammensetzung
verschiedener Elektroden- und Elektrolytmaterialien.
Die folgende Aufzählung umfasst Modellierungsansätze,
die das Spannungs- und
Stromzeitverhalten widerspiegeln.
Folgende Ansätze werden in der Fachwelt für
Spannungs- und Strommodelle als Ausgangs-
und Eingangsgrößen verfolgt:
• Impedanzmodelle (Resistiv- kapazitive-
induktive Netzwerke):
• Empirische Approximationsmodelle
• Elektrochemische (mechanistische)
Modelle
Impedanz- und empirische Modelle basieren
nicht auf den mechanistischen Vorgängen in
der Zelle selbst, sondern behandeln diese
als Black-Box. Hierbei wird das Zellverhalten
über Parameterfitting für eine vorher gewählte
(Schaltungs-) Topologie ausgeführt. Diese beiden
Verfahren haben gemeinsam, dass sie nur
in dem der Testmatrix entsprechenden Parameterraum
gültig sein können. Damit steigt die Unsicherheit
in der Modellierung von Betriebszuständen,
die nicht vorher exakt definiert wurden
und bereits in die Erstellung der Testmatrix mit
eingeflossen sind. Die Modellgattung der mechanistischen
Modellierung ist von der Know-
How-Tiefe um ein Vielfaches anspruchsvoller,
bietet demgegenüber Möglichkeiten, auf die tatsächlichen
Vorgänge in der Zelle rückzuschließen.
Und genau dieser Umstand rechtfertigt
den Aufwand der detailreichen Modellierung
in den elektrochemischen Zusammenhängen,
speziell in der Produktentwicklung von Zellen
und Batteriesystemen und der Lebensdauerabschätzung.
Über die Reduktion der Modelldimension auf
eine Dimension ergibt sich eine starke Vereinfachung
des Modellansatzes und Komplexität
der Modellierung. Damit lassen sich grundsätzliche
Modellansätze erproben und vereinfachte
Modelle verifizieren. Leider kann eine
Modellierungstiefe in nur einer Dimension nur
ein Zwischenschritt hin zum 3D- Modell der
realen Zelle sein. Final muss die Modellierung
der Zelle in der realen drei-dimensionalen Geometrie
mit inkludierten Alterungsmechanismen
möglich sein. An diesem Punkt scheitert derzeit
die Fachwelt, da sowohl eine umfassende
Modellierung als auch die damit verbundenen
Rechenzeiten fernab von einer praktikablen
Einsetzbarkeit sind.
Der Weg von 1D zu 3D - das Abbilden
einer realen Zelle im Modell
Ein Ansatz, der speziell in diesem Projekt gewählt
wurde, ist die Homogenisierung der Geometrie.
Hierbei werden die Basisgleichungen
jeweils auf eine Dimension eingeschränkt.
Während der Implementierung in eine numerische
Lösung werden diese Gleichungen der
Dimensionseinschränkung entsprechend diskretisiert.
Der Vorteil dieses Verfahrens: Jede
der Gleichungen muss nur in einer Dimension
gelöst werden. Damit kann das reale Verhalten
der Zelle abgebildet und vor allem der Modellansatz
mit gewissen Einschränkungen verifiziert
werden. Die Bezeichnung 1,5D (ein Zwi-