KEM Konstruktion 07-08.2017

TRENDS

TRENDS WERKSTOFFSIMULATION & -BERECHNUNG Beste Designs aus der Paretofrontanalyse Designs Verbesserung der Energiedichte (%) Kosten ($) Kapazität (Ah) Pos_CC_T (mm) Neg_CC_T (mm) Neg_Tab_W (mm) Pos_Tab_W (mm) Pos_Tab_ Num Neg_Tab_ Num Grundlinie - 4.49 7.71 24 16 6 6 4 4 85 60 4.40 7.71 30 10 5.4 8.4 24 15 119 31 4.32 7.79 28.7 8 5.4 8.4 24 5 Quelle: Siemens PLM Software Darstellung der Paretofront: Diese Kurve zeigt die optimalen Designs als Abwägung zwischen Energiedichte und Kosten. Die schwarze Linie dient nur als Indikator, um die Paretofront anzuzeigen. Das graue Quadrat ist das Referenzdesign, die blauen Kreise zeigen die Designs 85 und 119, die hier besprochen werden Bild: Siemens PLM Software Optimierung 2: Materialkosten versus Energiedichte Bei der zweiten Studie werden neben den Eingangsgrößen der ersten Studie die Materialkosten berücksichtigt – das lässt sich in BDS abbilden. Die Lösungsraumstudie wird zu einer mehrdimensionalen Studie, in der die Energiedichte maximiert und gleichzeitig die Kosten minimiert werden. Das Ergebnis wird nicht ein einzelnes, sondern eine ganze Reihe von Designs sein. Diese werden eine Paretofront bilden, die die Verhältnismäßigkeit der optimalen Designs zwischen Energiedichte und Kosten anzeigt. Aus dieser Paretofront wurden zwei von insgesamt neun Designs ausgewählt, die beiden Kriterien entsprechen (siehe Tabelle). Die Designs 85 und 119 zeigen beide, verglichen mit dem Referenzdesign, Verbesserungen in der Energiedichte. Design 85 ist am nächsten am besten Ergebnis der ersten Studie, gemessen an der Energiedichte, hat aber gleichzeitig um 0,09 Dollar geringere Materialkosten. Die mag gering wirken, aber bei den hunderten oder tausenden von Millionen Zellen, die produziert werden, hat das gewaltige Auswirkungen. Wenn man auf noch höhere Kostenreduzierungen abzielt, ist Design 119 mit einer Verringerung um 0,17 Dollar eine gute Wahl, die immer noch 31 % Erhöhung in der Energiedichte erreicht. chen. Die Lösungsraumstudie analysiert 100 Designs. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Anstieg der Energiedichte von etwa 60 % im Vergleich zum Referenzfall. Heeds erzeugt nützliche Visualisierungen der verschiedenen Parameteränderungen, mit denen sich Trends und Kombinationen hervorheben lassen, die optimale Resultate erzielen. Ein Beispiel ist der sogenannte ‚Parallel-Plot‘ (siehe Bild Parallel-Plot). Zu sehen sind die Designs mit der höchsten Energiedichte. Die besten Ergebnisse werden mit geringer Stromkollektordicke (Neg_CC_T, Pos_CC_T) und hoher Tabanzahl (Pos_Tab_Num, Neg_Tab_Num) erreicht. Die gelbe Kurve zeigt die Kombination für das beste Design und es wird gleichzeitig anschaulich, dass die Energiedichte weit höher ist als beim grau dargestellten Referenzdesign. Allerdings zeigt sich, dass das beste Design höhere Materialkosten als das Referenzdesign hat. Es wäre natürlich ideal, das ‚Beste beider Welten‘ zu erreichen, indem man die Energie erhöht und gleichzeitig die Materialkosten der Zelle reduziert. Das ist das Ziel der zweiten Studie. Zusammenfassung Die Möglichkeit, das Simulationssetup und die Berechnungen zu automatisieren, ergibt eine signifikante Steigerung der Produktivität – die gesamte Batteriezellenstudie wurde an einem einzigen Tag durchgeführt. Die Designoptimierung mit BDS und Heeds ergibt eine optimierte Zellenleistung durch die Verbindung der Zielanalysen bezüglich sowohl der physikalischen Kennwerte als auch der Kosten. Bisher war es sehr zeitaufwendig, diese voneinander abhängigen Parameter manuell zu optimieren, nun lassen sich bessere Ergebnisse schneller erreichen. Dies zeigt, dass CAE ein leistungsstarkes Werkzeug ist, um Zellen und Batteriepacks zu entwickeln – und das nicht nur aufgrund der engen Kopplung der elektrochemischen und thermischen Verhältnisse in diesen komplexen Systemen, sondern auch, weil sich Designoptimierungsstudien nutzen lassen, um den Lösungsraum schnell zu analysieren. co www.siemens.com/plm Weitere Infos zur Multiphysik-Simulation mit Star-CCM+: http://hier.pro/Jsr7R 28 K|E|M Konstruktion 07-08 2017

WERKSTOFFSIMULATION & -BERECHNUNG TRENDS E-Motoren: Stahl sorgt für mehr Effizienz mit neuen Güten und Verfahren Daten für virtuelle Entwicklungsumgebungen Das Potenzial der Elektromobilität ist groß: mehr Klimaschutz, eine geringere Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, das Entstehen neuer Märkte. Die Bundesregierung hat sich die klimafreundliche Umgestaltung der Mobilität zur Aufgabe gemacht und ihre Weiterentwicklung ist ein zukunftsweisendes Thema der europäischen und weltweiten Industrie. Besonders Elektrofahrzeugen kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Dazu sind allerdings weitere Innovations - schritte notwendig. Arcelor Mittal unterstützt diesen Trend mit der zweiten Generation von Elektrostählen und zukunftsweisenden Kooperationen im Bereich virtueller Entwicklungsumgebungen. Der gewünschte Effekt: mehr Reichweite und schnellere Entwicklungszyklen. Dr. Perry Reisewitz, Fachautor in Starnberg Höhere Festigkeit, optimierte Wärmeleitfähigkeit und verbesserte magnetische Kennlinie: Insgesamt bedeuten die Verbesserungen der zweiten Generation der iCARe- Stähle von Arcelor Mittal mehr Power und Reich weite Bild: Jan Lipina Eine Million Elektrofahrzeuge sollen auf Deutschlands Straßen bis 2020 fahren – so formuliert es das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie auf seiner Homepage. Fördermaßnahmen wie Kaufprämien für Elektroautos (Umweltbonus), Ausbau der Lade infrastruktur und ein Beschaffungsprogramm für die öffentliche Hand unterstützen diese Strategie. Doch noch sind die Reichweiten der Fahrzeuge zu gering und die Ladezyklen zu lang. Der BMW i3 soll mit einer Ladung rund 300 km weit fahren, der Opel Ampera sogar 520 km. An einer Haushaltssteckdose lässt sich in einer Stunde allerdings gerade einmal die Energie für eine Strecke von 20 bis 30 km laden. Und selbst an einer 50-kW-Schnelladestation dauert es immer noch eine gute Stunde, um für die nächsten 300 km gerüstet zu sein. Der weltgrößte Stahlhersteller Arcelor Mittal geht deshalb zwei Wege, um die Industrie bei verbesserten Motoren zu unterstützen. Praktisch alle Hersteller von Elektromotoren suchen nach Möglichkeiten, wahlweise die Leistung zu erhöhen oder die Stromaufnahme bei gleicher Leistung zu verringern beziehungsweise die Reichweite von Fahrzeugen zu erweitern und mit hoher Geschwindigkeit leistungsfähigere Motoren auf den Markt zu bringen. „Das zu unterstützen, ist für uns als Materialhersteller ein wesentliches Thema. Hier haben wir unser Know-how eingebracht und unsere iCARe- Stähle weiter entwickelt“, erläutert Sigrid Jacobs, weltweite Leiterin Forschung und Entwicklung für Elektrostahl. K|E|M Konstruktion 07-08 2017 29