KEM Konstruktion 07-08.2017

TRENDS

TRENDS WERKSTOFFSIMULATION & -BERECHNUNG Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) sind allgegenwärtig, sie werden in Mobiltelefonen, Kameras, Laptops, Autos, Uhren und seit kurzem in Hoverbards eingesetzt. Aber sie kommen auch in größeren Systemen wie Schiffen und Flugzeugen zum Einsatz Bild: Siemens PLM Software Schnellere Batterieinnovation mit Multiphysiksimulation (CAE) Physik und Kosten zeitgleich im Fokus Verbesserungen in der Modellierung des Verhaltens von Li-Ion-Zellen lassen gekoppelte CAE-Simulationen zu einem mächtigen Konstruktionswerkzeug werden. Die gleichzeitige Betrachtung der elektrochemischen und thermischen Vorgänge liefert eine hohe Genauigkeit bei der Simulation dieser komplexen Systeme. Da sich darüber hinaus Simulationssetup und Berechnungen automatisieren lassen, lässt sich in kurzer Zeit eine Designoptimierung durchführen, bei der sowohl physikalische Kennwerte als auch Kosten berücksichtigt werden. Gaetan Damblanc, Siemens PLM Software Der Bedarf an sicheren und leistungsfähigen Li-Ion-Akkus war noch nie höher. Zellen- und Batteriepackhersteller arbeiten ständig an höheren Energiedichten (oder spezifischer Energie), höherer Leistungsdichte (oder spezifischer Leistung), mehr Produktsicherheit, längerer Lebensdauer und geringeren Kosten. Eine signifikante Verbesserung eines Batteriekonzepts über das gesamte Operationsspektrum hinweg ist eine große Herausforderung und erfordert die gleichzeitige Optimierung einer Vielzahl von Parametern. Große Zellen- und Batteriepackhersteller kennen das sehr gut: Es ist sehr zeitintensiv und teuer, all die verschiedenen Materialkombina- tionen zu testen und zu validieren. Die Beschleunigung des Prozesses und eine Verringerung der Kosten ist ein Ziel, von dem die Batteriehersteller geradezu besessen sind. Ein Teil der Lösung ist CAE (Computer Aided Engineering). Auf Zellenebene ermöglicht es Battery Design Studio (BDS), eine leistungsstarke Zellendesignsoftware und -testplattform, eine Vielzahl von Zellendesigns in einem Bruchteil der Zeit, die normalerweise für experimentelle Untersuchungen benötigt wird, zu testen. Auf der Ebene des Batteriepacks berechnet das Battery Simulation Module (BSM) von Star-CCM+ das komplexe elektrothermische Verhalten des gesamten Pakets mit hoher Genauigkeit – dies ist ein entscheidender Baustein in der Antriebsentwicklung. So lassen sich hunderte von Designs mit geringem Aufwand testen. Allerdings kostet der virtuelle Aufbau jeder Zelle und jedes Moduls 26 K|E|M Konstruktion 07-08 2017

WERKSTOFFSIMULATION & -BERECHNUNG TRENDS ebenfalls viel Zeit, zudem erfordert es kontinuierliche Simulationen, damit das Design verbessert werden kann. Dies lässt sich durch die Kopplung von BDS und BSM mit einer Designexplorations- und -optimierungssoftware wie Heeds automatisieren. Dieser Artikel zeigt, wie eine gut entwickelte, kommerziell verfügbare Zelle im Zusammenwirken von BDS und Heeds noch weiter optimiert werden kann. Beschreibung der Zelle Die in dieser Studie betrachtete Zelle ist vom Typ 36650, was bedeutet, dass die Zelle 3,6 cm im Durchmesser misst, die Länge beträgt 6,5 cm. Es handelt sich um eine leistungsstarke Zelle, die Kathode besteht aus Nickel-Kobalt-Mangan (NCM, 80 %) und Lithium-Manganoxid (LMO, 20 %). Die Anode besteht aus Graphit. Da es sich um eine Hochleistungszelle handelt, kann sie mit sehr hohen Strömen arbeiten ohne allzuviel der verfügbaren Energie zu verlieren. Typischerweise werden die Leistungsfähigkeit und die verfügbare Energie als Leistungs- und Energiedichte bezeichnet. Darunter versteht man die Leistung und Energie pro Masseneinheit, diese werden in W/kg und Wh/kg ausgedrückt. Akkuzellen können nicht gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte und Energiedichte liefern – das ist einer der Zielkonflikte in der Akkuentwicklung. Nichtsdestotrotz ist es möglich, die Energiemenge in solch einer Hochleistungszelle zu optimieren, was in diesem Beispiel versucht werden soll. Vor dem Start der Optimierung ist es wichtig, die Referenzzelle in BDS sehr detailliert abzubilden, beispielsweise muss die Geometrie jedes Bestandteils von der Elektrode über die Folien bis zu den Anschlusslaschen der Folien (Tabs) stimmen. Ebenso akkurat muss das physik - basierte Leistungsmodell abgebildet werden, um das Verhalten der Zelle erfassen zu können. Daten wie die Tabgeometrie, die Dimensionen der Elektroden oder die chemische Formel der Folien lassen sich in BDS‘ anwenderfreundlicher Oberfläche sehr einfach definieren. Parallel-Plot: Die drei linken Parameter sind Eingangsgrößen, die anderen sind die Antworten. Grau: Referenzdesign, Gelb: Bestes Design Optimierung 1: Energiedichte Ist die Referenzzelle fertig, kann die Optimierung starten. Da das Ziel ist, die Energiedichte (Wh/kg) zu optimieren, liegen die Schwerpunkte auf der Verringerung des Gewichts und einer Erhöhung der Länge der Folien, um mehr aktives Material und damit mehr Energie in die Zelle zu bringen. Die folgenden Designvariablen wurden für die Studie gewählt: • Positive Elektrode: Länge, Anzahl der Tabs und Stromkollektordicke • Negative Elektrode: Länge, Anzahl der Tabs und Stromkollektordicke • Positive Tabs: Breite • Negative Tabs: Breite Jede dieser Designvariablen verändert sich innerhalb vorgegebener Grenzen, damit sie auch physikalisch und in der Fertigung Sinn ma- Bild: Siemens PLM Software K|E|M Konstruktion 07-08 2017 27