Simulation

Innerhalb der Fraunhofer-Allianz Batterien werden die Eigenschaften von Batterien von der atomaren Skala bis zum Verhalten im Antriebsstrang mit modernsten Methoden in der Simulation abgebildet. Die Fragestellungen, die in Vorlaufforschung oder als Auftragsforschung untersucht werden, reichen von Materialeigenschaftssimulationen, über Zelloptimierungen unter thermischen und alterungsspezifischen Gesichtspunkten, der Optimierung von Batteriemanagementsystemen, bis zu Netzwerksimulationen sowie Crashverhalten von Zellen und Batterien.

Material-Simulation und -Modellierung

Simulation
© Foto Fraunhofer IWM

Simulation

Einzelne Materialien

Die Fraunhofer-Allianz Batterien arbeitet an einer crashsicheren Auslegung von Batteriemodulen zum Einsatz in Elektrofahrzeugen. Aufgrund der Feuergefahr dürfen Batterien bei einem Unfall nicht beschädigt werden. Zudem sind die Akkumulatoren für Elektromotoren sehr schwer. Daher ist die Optimierung von crashsicheren Halterungen und Schutzgehäusen bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion erforderlich. Im Rahmen des Scherpunktthemas Energiespeichertechnik bewertet die Allianz Batterien die Crashsicherheit der Schutzgehäuse von Batterien.

Die Simulation von Materialeigenschaften von der elektronischen Struktur der Materie bis hin zum makroskopischen Verhalten ist eine weitere Kernkompetenz der Fraunhofer-Allianz Batterien. Verschiedene Experimente erlauben sonst unzugängliche Einblicke in die Funktionsweise der Materialien. Die gewonnen Erkenntnisse werden dazu genutzt, die verschiedenen Prozesse, welche beim Laden/Entladen eines Batteriesystems auftreten, besser zu verstehen. Insbesondere die Interkalation/Insertion von Lithium in die Anoden bzw. Kathodenmaterialien aus dem Elektrolyten stehen hier im Vordergrund. Ein Verständnis dieser Prozesse dient nicht nur zur "Maßschneiderung" der Batterien auch die Alterungsbeständigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Zersetzung des Elektrolyten an diesen Oberflächen.

© Foto Fraunhofer ITWM

Die Lithium Ionenkonzentration in einer komplexen Bizelle, bestehend aus 2 Anoden – Kathodenpaaren.

Mikrostruktursimulation und Simulation poröser Medien gehören ebenso zu den Kernkompetenzen der Fraunhofer-Allianz Batterien. Im Rahmen der “Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität (FSEM)” und in Kooperation mit industriellen Partnern werden mathematische Modelle auf der Grundlage der physikalischen und elektrochemischen Prozesse entwickelt. Mit deren Hilfe lassen sich Transport- und Reaktionsvorgänge in einer Batteriezelle dreidimensional aufgelöst auf zwei verschiedenen mesoskopischen Ebenen beschreiben. Mit dem Transportmodell können die mikroskopische Struktur der Elektroden räumlich aufgelöst und der Ionentransport in Elektrolyt und einzelnen Aktivpartikeln explizit berechnet werden. Das auf der Basis der mikroskopischen Gleichungen hergeleitete poröse Elektrodenmodell, erlaubt dagegen die Simulation einer kompletten beliebig geformten Batteriezelle, da die dreidimensionale Struktur von Elektroden und Stromableitern voll berücksichtigt werden kann (siehe Abbildung). Diese Zugänge erlauben eine simulationsgestützte Optimierung von Materialzusammensetzung und Geometrie. Die Modelle wurden in der Fraunhofer eigenen Software “BEST” (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) implementiert. Mit Hilfe von Modellreduktionsverfahren kann die Simulation  beschleunigt werden, so dass eine Ankopplung der Feinmodellierung der Transportprozesse an die Systemebene möglich wird. Hierdurch kann z. B. die Präzision von Batteriemanagementsystemen erhöht werden. 

Die Untersuchung und Bewertung von Alterungseffekten ist eine weitere Herausforderung, die sich bei der Entwicklung neuer Lithium-Ionen-Akkus stellt – sowohl für elektromobile als auch stationäre Anwendungen. Hierfür entwickelt die Allianz Batterien Alterungsmodelle, die den experimentellen Aufwand in diesem Bereich reduzieren sollen.

Systemmodellierung

Zusammenhängende Batteriesysteme

Der Marktbereich „elektrische Speichersysteme“ arbeitet an optimierten Algorithmen für das Batteriemonitoring (Ladezustandsbestimmung, Alterungsbestimmung) sowie an der Entwicklung von optimierten Ladestrategien sowie Energie- und Batteriemanagementsystemen. Dazu gehören aktuelle Arbeiten im Bereich der Entwicklung von Kalman-Filtern zur Bestimmung von Lade- und Alterungszustand von Lithium-Batterien. Für PV-Hybridsysteme – netzunabhängige Stromversorgungen mit Erzeugern unterschiedlicher Charakteristik zur Versorgung von technischen Systemen und zur Elektrifizierung von Siedlungen – wurden große Batteriebänke von 60 kWh und mehr aufgebaut und betrieben. Ferner verfügt die Fraunhofer-Allianz Batterien über ein umfangreiches Batterielabor, in dem Batterietests für unterschiedliche Industriezweige (stationär netzgekoppelt, PV-Inselsysteme, automobile Anwendungen) durchgeführt werden.

Batteriemanagement

© Foto Fraunhofer IIS

Batteriemanagement in Elektro- und Hybridfahrzeugen

© Foto Fraunhofer ICT

Blockschaltbild eines Batteriemanagement Systems

Zur Ladung einer Batterie beliebiger Chemie ist ein exaktes Spannungs- und Stromprofil erforderlich, ansonsten geht ein Teil der Kapazität verloren oder die Batterie kann beschädigt werden. Um diese Ladeprofile zu erzeugen, werden spezielle Laderegler verwendet, welche die benötigten Spannungen und Ströme aus einer DC-Quelle generieren. Bei dem Einsatz von Batterien sind genaue Informationen über Lade- und Alterungszustand notwendig. Bei der Versorgung von Hochvoltanwendungen wie besipielsweise Antriebe von Elektro- und Hybridfahrzeugen, ist eine Serienschaltung mehrerer Batteriezellen nötig. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, individueller Selbstentladung und ungleicher Temperaturverteilung im Batteriesystem können die Ladezustände der Einzelzellen mit der Zeit divergieren. Dies führt zu einem Kapazitätsverlust des Gesamtsystems und muss durch sogenannte Symmetrierschaltungen (Cell Balancing) ausgeglichen werden.

Die Fraunhofer-Allianz Batterien entwickelt hochintegrierte Laderegler vom analogen Regler bis hin zum intelligenten mikroprozessor-gesteuerten digitalen Regler. Optimiert werden diese Schaltungen mit dem Ziel die externen Komponenten zu verkleinern und den Betrieb mit Batterien unterschiedlicher Chemie zu gewährleisten.
Speziell werden Systeme zur Überwachung sowie zur passiven und aktiven Zell-Symmetrierung von mehrzelligen Batteriesystemen optimiert. Weiterhin werden Algorithmen entwickelt, die mittels mathematischer Modellbildung hochgenaue Restkapazitätsvorhersagen zulassen. Daraus lassen sich die typischen Batterieparameter SOC (State-of-charge), SOH (State-of-health) und SOF (State-of-function) ableiten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Implementierung von verlustleistungsarmen mikroelektronischen Schaltungen zum Einsatz in Batteriemanagement Systemen.

Die Allianz Batterien entwickelt die dafür nötigen Teilkomponenten wie Spannungsregler und ADCs, es werden aber ebenso kommerzielle Produkte für den Aufbau kompletter Energieversorgungssysteme verwendet.
Weiterhin werden Standards wie SBS (Smart Battery Standard), SMBus (System Management Bus) und PMBus (Power Management Bus) eingesetzt, um Kompatibilität zu kommerziellen Systemen zu erreichen.

Anwendungsgebiete der entwickelten Batteriemanagement Systeme sind Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie mobile elektronische Geräte.

Zusätzlich werden Batteriemanagement Systeme und Batterien mit einem professionellen Batterie-Testsystem, welches auch zur Modellierung von Batterien eingesetzt wird, getestet.