magazine - Das Virtuelle Fahrzeug

Abbildung 2: Alterungsprognose, der traditionelle
Pfad und die Erweiterung mittels Modell
Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF
schenschritt zwischen 1D und 2D) bezieht sich
auf den Umstand, dass jede Gleichung zwar
nur in einer Dimension gelöst wird, aber unterschiedliche
Gleichungen und deren Dimensionen
normal aufeinander ausgerichtet sind.
Damit können im Modell beide Dimensionen
abgebildet werden.
Final kann also festgestellt werden, dass ein
elektrochemisches Modell reale Vorgänge in
einem Modell vereinfacht abbildet. Damit entsteht
ein Werkzeug, das sogar unter Last der
Zelle oder des Batteriesystems eine Aussage
auf Vorgänge in der Zelle zulässt. Ein spezieller
Anwendungsfall ist die Verbindung der Lebensdauerprognose
mit diesem detaillierten Modellierungsansatz.
Hierbei werden schädigende
Vorgänge bewertet und als Information in die
Prognose mit eingebunden.
„Elektro-Chemisches Modell“ - eine
Definition
Die Grundelemente einer Batteriezelle sind die
Ableiter. Dies sind Folien aus Kupfer und Aluminium,
welche die Verbindung des chemisch aktiven
Materials mit dem jeweiligen Pol der Zelle
bilden und die mechanische Stabilität gewährleisten.
Die Längskoordinate des Modellgebiets
verläuft also von einer Ableiterfolie zur anderen.
Die Aktivmaterialschichten der Zelle (positive
und negative Elektrode) sind von poröser
Natur. Die Feststoffe dieser
Struktur bestehen aus den
aktiven Substanzen (Interkalationsmaterial,Hostmaterial),
elektrisch leitendem und
zum Teil ebenfalls aktivem
Material (Leitruß) und klebendem
Material (Binder). In
den Hohlräumen des Materials
befindet sich eine flüssige
Phase, die dem Ionentransport
zwischen den Elektroden
dient, der Elektrolyt. In
Abbildung 1 wird die feste
Phase durch Kreise symbolisiert,
der Leitruß sowie Binder
sind nicht eingezeichnet.
Sie befinden sich zwischen
den Kreisen und verbinden
diese. Die tatsächliche Form
der aktiven Substanzen variiert
zwischen Flakes bis zu
annähernd Kugelform, die
Größe der Partikel (1 Partikel
= 1 Kreis) von wenigen Nanometern bis zu
einigen Mikrometern. Interkalationsmaterialien
sind kristalline Stoffe, welche Lithiumatome in
Zwischengitterplätze aufnehmen (interkalieren)
und dort unter Ausbildung eines chemischen
Potentials speichern können. Diese Komponenten
finden sich im Modell und werden vereinfacht
mechanistisch abgebildet.
Verbindung zwischen elektro-
chemischem Modell und Alterungsproblematik
Der Stand der Technik in der Lebensdauerprognose
von Batteriesystemen ist in Abbildung
2 in der linken Bildhälfte beschrieben. Hierbei
werden mittels vorab definierter Testmatrizen,
die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten
sind, Alterungsexperimente gestartet. Diese Alterungsexperimente
laufen je nach Anwendung
bis zu mehrere Jahre. Zudem sind derzeit noch
keine Raffungsmechanismen bekannt, die diese
Testzeit signifikant verkürzen würden. Der
parallele Pfad der elektrochemischen (EC)-
Modellerweiterung bringt ein zweites Standbein
in diese Prognose ein. Üblicherweise wird
in den Kundenanforderungen für Batteriesysteme
eine Lebensdauer von zehn oder mehr
Jahren festgeschrieben. Im Vergleich dazu
beträgt die Entwicklungszeit eines Batteriesystems
zum fertigen Produkt in etwa zwei bis
drei Jahre. Diese Entwicklungszeiten sind dann
realistisch, wenn bereits auf einer freigeprüften
Einzelzelle, dem Kernstück eines Batteriesystems,
aufgebaut werden kann.
Daher ist es von grundlegendem Interesse, die
Streuung der Vorhersage in engen Grenzen zu
halten. Das ist mit rein empirischen Methoden
schwierig bis unmöglich.
Hier bietet die Verschränkung mit dem elektrochemischen
Modell die Möglichkeit, die
Streuung zu reduzieren. Neben der erhöhten
Prognosefähigkeit bietet diese Verschränkung
einen weiteren Vorteil. Sollte sich während
der Entwicklung die Notwendigkeit ergeben,
grundsätzliche Eigenschaften der Basiszelle
und auch des Batteriesystems zu ändern,
müsste eigentlich das gesamte Alterungsexperiment
wiederholt werden. Als Beispiel sei hier
die Schichtdicke der Elektroden der Lithium-
Ionen Zelle genannt. Das elektrochemische
Modell bietet hier die Möglichkeit, den Trend
der Alterungsprognose abzuschätzen und
die bestehenden Daten neu zu interpretieren.
Kombiniert mit neu gestarteten Testläufen wird
diese Prognose abgesichert. Aus dem elektrochemischen
Modell lassen sich damit die für
die Alterung kritischen Betriebszustände abschätzen
und das Alterungsexperiment weniger
breit, trotzdem mit ausreichender Aussagekraft
auslegen.
Zusammenfassung
Das Batteriesystem ist heute das technische
und wirtschaftliche Nadelöhr in der Umsetzung
der Elektromobilität. Eine zuverlässige und robuste
Alterungsprognose im komplexen Umfeld
des Automobils ist die Grundvoraussetzung,
um das System effizient nutzen zu können.
Damit kann verhindert werden, dass Systeme
überdimensioniert und damit zu teuer am Markt
platziert werden. Dem gegenüber steht eine zu
kleine Dimensionierung des Energiespeichers
und damit einhergehend entweder verringerte
Kundenfunktion, wie zum Beispiel zu geringe
Reichweite, oder zu wenig Treibstoffersparnis.
Sollte es im schlechtesten Fall zu gehäuften
Ausfällen des Fahrzeugs beim Endkunden
kommen, wird die Elektromobilität nicht ihr inhärentes
Potential aufzeigen können und sich
deswegen möglicherweise nicht durchsetzen. ■
Zum Autor
Dr. Alex Thaler leitet die
Batterie-Gruppe am
VIRTUAL VEHICLE.
magazine Nr. 11, I-2012
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