Elektrochemische Modellierung
von Batteriezellen
Die Elektrifizierung der Automobilindustrie ist in vollem Gange. Unabhängig
davon, ob es sich um batterieelektrische, brennstoffzellenbetriebene
oder hybride Antriebe handelt – sie alle benötigen eine Batterie als
Energiespeicher bzw. Puffer. Bei jedem dieser Fahrzeugtypen werden
entscheidende Fahrzeugattribute wie Reichweite, Ladezeit, Fahrleistung,
Sicherheit und Lebensdauer maßgeblich von der Batterie beeinflusst.
ur Optimierung dieser Attribute sind nicht nur gute
Zellen und eine passende Integration in ein Batterie
paket erforderlich, sondern auch eine Betriebsstrategie,
die das volle Potenzial der Zellen ausschöpft, ohne sie dabei
zu schädigen.
Die klassische elektrothermische Modellierung mit sogenannten
RC-Modellen kann zwar das Spannungsverhalten der Zellen
in weiten Bereichen abbilden, erlaubt aber keinen Einblick in
die inneren Vorgänge der Zelle. Das Verhalten in Grenzberei-
chen, wie z.B. beim intensiven Laden/Entladen oder durch den
Betrieb bei sehr tiefen oder hohen Temperaturen, kann damit
nicht vorhergesagt werden. Demgegenüber lassen sich mit der
elektrochemischen Modellierung auch die chemischen und
physikalischen Vorgänge in der Zelle darstellen. Nichtlineare
Effekte wie Interkalationsreaktionen oder Diffusionsvorgänge
werden korrekt abgebildet, ihr Einfluss auf die Schädigung
kann analysiert und damit ein sicherer Betrieb gewährleistet
werden.
Dennoch hält sich hartnäckig die Meinung, dass elektroche-
mische Modelle schwierig zu parametrieren sind. Wir haben in
AVL CRUISE™ M einen geführten Workflow implementiert, der
Nutzer dabei unterstützt, die Parametrierung möglichst schnell
und einfach durchzuführen. Darüber hinaus lassen sich nicht
vorhandene Eingabedaten mit passenden Daten aus einer
Materialdatenbank (Erfahrungswerte) substituieren. Zusätzlich
ist eine Auswahl an parametrierten Zellmodellen als Referenz
vorhanden. Diese Modelle werden in CRUISE M virtuell in
die entsprechenden Module und Packs integriert, um deren
elektrische, thermische und mechanische Randbedingungen
exakt abzubilden. Liegt schließlich ein multiphysikalisches
Gesamtmodell vor, erfüllt es neben der Simulation realer Be-
triebsbedingungen zur Leistungsbewertung weitere Aufgaben.
Beispielsweise die Untersuchung von Alterungsphänomenen,
die Kalibrierung des BMS mit SoC- und SoH-Charakteristika
mittels virtueller HPPC-Tests oder die Optimierung von
Schnellladefunktionen.
Nachhaltige Mobilität verlangt nach ausgereiften Batterien.
Ihre Entwicklung erfordert elektrochemische Modellierung.
2024