Elektrische und Elektro­chemische Modellierung

Elektrische Simulationen werden am Fraunhofer ISE in verschiedenen Gebieten eingesetzt. Neben der Simulation von Inhomogenitäten in PV-Modulen bildet die Simulation von Batterien – auf Zell- und Systemebene – sowie deren Produktionsprozesse einen Schwerpunkt.

Batterien gewinnen für das Gelingen des weiteren Ausbaus der fluktuierenden erneuerbaren Energien (PV, Wind) rasant an Bedeutung und stellen als hocheffiziente mobile Speicher das Fundament für die Verkehrswende dar. Das komplexe Verhalten der elektrischen Leistungsfähigkeit und deren sensible Abhängigkeiten von Temperatur, konstruktiven, mechanischen und chemischen Größen sowie insbesondere den Alterungsmechanismen bzw. deren Wechselwirkungen sind Gegenstand umfangreicher wissenschaftlicher und technischer Fragestellungen. Modellierung und Simulation von Batterien und auch deren Produktionsprozesse (beispielsweise Schweißverbindung oder Grenzflächenformierung) stellen dabei substanzielle Werkzeuge für deren effiziente Bearbeitung dar. Der Umfang an zeitaufwändigen und mit hohen Sicherheitsvorkehrungen verbundenen Tests im Labor kann dadurch deutlich reduziert und so eine kostenoptimierte Entwicklung hin zum Produkt (time to market) ermöglicht werden. 

FuE-Leistungen für Elektrische und Elektrochemische Modellierung

In den Geschäftsfeldern Wasserstofftechnologien und Elektrische Energiespeicher und Photovoltaische Module und Kraftwerke bieten wir folgende Serviceleistungen im Bereich der Elektrischen und Elektrochemischen Modellierung an.

  • Abbildung beliebiger Batteriezellen oder Batteriesysteme in einem FEM-Modell oder in einem Ersatzschaltbildmodell, abhängig von der jeweiligen wissenschaftlich-technischen Fragestellung
  • Materialcharakterisierung zur Bestimmung der Modellparameter
  • Experimentelle Validierung im Testlabor
  • Simulation der Verbindung von Batteriepacks
  • Simulation von Schweißvorgängen 
  • Simulation von Batteriezellen und Batteriesystemen in unterschiedlichen Anwendungen
  • Virtuelle Produktentwicklung  und -optimierung
  • Virtuelle Analyse von kritischen Betriebszuständen
  • Simulation von Inhomogenitäten in PV-Modulen

Anwendungsbeispiele

Simulation von Batteriezellen und Batteriesystemen

Das Fraunhofer ISE erstellt hochgenaue, lokal aufgelöste Modelle von Batteriezellen. Diese sind notwendig, um das enge Zusammenspiel von Temperatur und Temperaturverteilung, Druck- und Druckverteilung, Zellspannung bzw. Effizienz und der Alterung zu verstehen. So können lokale Unterschiede der verschiedenen Alterungsmechanismen nachvollzogen werden, was zu einem besseren Verständnis der gesamten Alterung führt. Basierend darauf kann beispielsweise das Zelldesign (z.B. Dicken, Gestaltung der Anschlüsse) optimiert werden oder die Kühlung so angepasst werden, dass Temperaturdifferenzen in der Batteriezelle minimiert werden.

Um im gesamten Batteriesystem Temperaturdifferenzen zu minimieren, eine effiziente Ankopplung an das Heiz- und Kühlsystem zu erreichen und damit die Performance, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems gewährleisten zu können, wird das Batteriesystem in ein CFD Modell übertragen, analysiert und optimiert.

Modellierung der Spannungsverteilung
© Fraunhofer ISE
Modellierung der Spannungsverteilung über die Oberfläche einer großformatigen Lithium-Ionen-Zelle.
CFD Model eines Pouchzell-Moduls
© Fraunhofer ISE
CFD Model eines Pouchzell-Moduls mit seitlich angebrachter Kühlung.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Sicheres, zuverlässiges und effizientes Batteriesystem mit hoher Lebensdauer
    • Erfüllung der anwendungsspezifischen Anforderungen vor allem hinsichtlich Versorgung mit elektrischer Leistung bzw. Energie
    • Effizientes angepasstes thermisches Management
  • Vorgehen
    • Analyse der Anforderungen und Auswahl geeigneter Zellen bzw. Modellierung einer vorausgewählten Zelle
    • Auslegung des Batteriesystems (Anzahl und Verschaltung der Zellen zu Modulen oder direkt zum System, Anpassung an Bauraum, Auswahl passiver Komponenten)
    • Auslegung des thermischen Managements hinsichtlich Art (Luftkühlung, Flüssigkühlung o.a.), Kontaktflächen und notwendiger Heiz- und Kühlleistung
    • Untersuchung der worst-case Szenarien (hohe Leistungen, hohe Temperaturen)
    • Optimierung der Betriebsführung durch Definition von geeigneten dynamischen Parametern (u.a. Sollwerte für Kühlung, Stromlimits)
  • Ergebnisse

Elektrochemische Modellierung von Batteriezellen

Neben elektrischen Ersatzschaltbildmodellen werden am Fraunhofer ISE auch Modelle basierend auf den tatsächlichen elektrochemischen Vorgängen entwickelt und angewandt. Diese Modelle geben das elektrische und auch thermische Verhalten der Batteriezelle wieder. Verwendung findet unter anderem das pseudo zweidimensionale Batteriemodel (P2D-Modell), das verlässliche Werte liefert und weitläufig Anwendung findet. Allerdings sind sowohl für Ersatzschaltbild- als auch für das P2D-Modell zellspezifische Parameter notwendig, die unteranderem die Zellchemie oder Zellgeometrie betreffen. Das Fraunhofer ISE kann verschiedene Batteriemodelle erstellen, parametrisieren und im experimentellen Test deren Präzision über alle Betriebsbereiche (Temperaturen, Stromraten) verifizieren. Neben marktüblichen Lithium-Ionen Batteriezellen werden am Fraunhofer ISE auch alternative Zellen beispielsweise basierend auf Zink- oder Natrium-Ionen entwickelt, erprobt und simuliert.

Pseudo 2D-Modell einer Lithium-Ionen-Zelle
© Fraunhofer ISE
Pseudo 2D-Modell einer Lithium-Ionen-Zelle (auch Doyle Fuller Newman Model). Diskretisierung entlang der x-Achse und dem Partikelradius.

Kurzbeschreibung:

Simulation der Verbindung von Batteriepacks

Die Kerneigenschaft eines PV-Moduls ist die Stromerzeugung, welche sich sehr gut analytisch betrachten lässt, bspw. mit SmartCalc.CTM. Spielen hingegen Inhomogenitäten eine Rolle, ist dies oft schwer analytisch zu erfassen. Daher verwenden wir auch die Finite-Elemente-Methode um Ströme und hohe Spannungen in PV-Modulen zu simulieren. Auch in der Verschaltungstechnik, wie z.B. dem Widerstandsschweißen wenden wird FEM-Simulationen an.

Als Zwischenspeicher für regenerativ erzeugte Energie werden mittlerweile sehr häufig Batteriepacks genutzt. Hierbei werden einzelne Batteriezellen z.B., mittels eines Schweißprozesses miteinander verbunden. In den Forschungsprojekten ElVis und Leopard wird auf der einen Seite der Schweißvorgang zur Herstellung der Batteriepacks mittels FEM untersucht. Auf der anderen Seite wird sowohl der Vibrations- als auch der Schlagtest nach UN38.3 simuliert, um die mechanische Stabilität der Batteriepacks zu analysieren und eventuelle Schwachstellen frühzeitig auf zu decken.

Die FEM Simulation zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf während des Widerstandsschweißvorgangs.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Analyse der Schweißparameter und deren Einfluss auf den Schweißvorgang
    • Identifikation geeigneter Prozessparameter für einen guten Schweißvorgang
    • Mechanische Analyse des vollständigen Batteriepacks
  • Vorgehen
    • Vollständig gekoppelte Simulation bestehend aus
      • 3D-Globalmodell der Batterie und des Verbinders
      • 2D-Submodell des eigentlichen Schweißpunktes
    • Simulation der Temperatur am Schweißpunkt, sowie der Ausdehnung des aufgeschmolzenen Bereichs
    • Bewertung der mechanischen Stabilität mittels der Analyse des Antwortspektrums
  • Ergebnisse
    • Identifikation geeigneter Prozessparameter für einen guten Schweißvorgang
    • Identifikation kritischer Bereiche im Batteriepack während des Vibrations- sowie Schlagtests
    • Anpassung des Batteriepackdesigns für eine bessere mechanische Stabilität

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

Forschungsprojekt

ElVis

Elektrische Batterieverschaltung: Innovativ, flexibel, schnell und kostengünstig

Software-Tool

SmartCalc.CTM

Software zur schnellen und präzisen Berechnung von Cell-to-Module-Verlusten und Gewinnen für Solarmodule

Forschungsthema

Batterie­verbindung

Verbindungstechnologien für die Batterieverschaltung

Arbeitsgebiet

Modellierung und Optimierung von Batterien

Modellierung und simulationsgestützte Verfahren zur optimierten Entwicklung von Batteriezellen und -systemen sowie für die Formierung während der Batteriezellproduktion

Arbeitsgebiet

Entwicklung von Batterie­systemen