Eine große Hürde für die weite Verbreitung der Elektromobilität ist die geringere Reichweite im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen. Die Reichweite kann über eine erhebliche Steigerung der Energiedichte, beispielsweise durch die Verwendung von neuen hochenergetischen Aktivmaterialien in der Zelle, vergrößert werden. Eine der größten Herausforderungen hierbei ist es, die Sicherheit der Zelle und des Hochvoltspeichers dabei mindestens auf dem gleichen Niveau zu halten wie heute. Eine Bewertung der Sicherheit von einzelnen Zelle, einem Verbund von Zellen oder des kompletten Speichers anhand von Experimenten ist zudem aufwendig und daher mit hohen Kosten verbunden. Diese Systemvalidierung ist außerdem erst zu einem fortgeschrittenen Zeitpunkt des Entwicklungsprozesses möglich, wodurch sich Korrekturmaßnahmen besonders zeit- und kostenintensiv gestalten.
Der grundlegende Gedanke dieses Projekts ist eine frühzeitige Sicherheitsbewertung anhand von vorhersagekräftigen Simulationen zu ermöglichen. Dazu werden kleinskalige Experimente entworfen, welche der Parametrisierung der Simulationsmodelle dienen. Der Nachweis der Aussagefähigkeit der entwickelten Modelle erfolgt im Rahmen des Projekts über eine Reihe verschiedener Validierungsversuche auf Zellebene. Dabei werden das Format der Zelle, eine Änderung des Materials und der Chemie berücksichtigt, wodurch diesbezüglich die Vorhersagegenauigkeit der entwickelten Methode validiert wird. Im Rahmen des Projektes liegt der Fokus auf der Modellierung des Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien unter mechanischer Deformation und den damit einhergehenden internen Kurzschlüssen sowie den exothermen Folgereaktionen.
Für die Bewertung der sicherheitsrelevanten Deformationen einer Batteriezelle, ist es notwendig Simulationen auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen miteinander zu verbinden. Im Fall des betrachteten Fahrzeugcrashs werden daher zunächst, basierend auf der Gesamtverformung des Fahrzeugs und des Hochvoltspeichers, die Deformationen des Zellinneren ermittelt. Diese dienen als Rahmenbedingungen für den weiteren Aufbau des ganzheitlichen Simulationsmodells, welches sich durch die Mikroinduzierung der Materialeigenschaften auszeichnet. Diese erfolgt durch die Verknüpfung des Finiten-Elemente-Modells der Zellebene mit Materialmodellen der Diskreten-Elemente-Methode sowie physikochemischen Modellen des thermischen Verhaltens. Hierzu muss sowohl das Verhalten der Zelle, als auch das Verhalten des in der Zelle genutzten Materials und deren gegenseitige Beeinflussung untersucht, beschrieben und modelliert werden. Somit können Rückschlüsse auf das Sicherheitsverhalten der Batteriezellen bei der Verwendung neuer hochenergetischer Aktivmaterialien für künftige Fahrzeuggenerationen gezogen werden. Im Rahmen des Projektes werden die ermittelten Rahmenbedingungen der simulativen Umsetzung, der betrachteten Crashszenarien und der allgemeinen Anforderungen an die Entwicklung eines Batteriesystem mithilfe eines SysML-Modells erfasst und verknüpft. Dieses Anforderungsmodells vereinfacht für spätere Entwicklungen die Berücksichtigung der Wechselwirkungen unterschiedlicher Anforderungsbereiche z.B. der mechanischen Festigkeit, des verwendeten Materials oder des zur Verfügung stehenden Bauraums als Grundlage für die Konzipierung neuer Batteriezellhüllen und –Systeme.
Ferner ermöglicht eine simulationsbasierte Analyse eine Qualitätssteigerung bspw. eine Optimierung der Systemeigenschaften und vermeidet damit „Over-Engineering“ gerade im Bereich der Crashauslegung zukünftiger Batteriespeicher. Die genaue Kenntnis über die Wechselwirkungen von Aktiv- und Gehäusematerialien und deren simulative Prädiktion ermöglich ebenso eine weiter greifende Standardisierung der Batteriezell-Abusetests und eine Begrenzung auf tatsächlich relevanten Testparameter. Die aus der Simulation gewonnenen Erkenntnisse werden zum Design neuer Batteriezellhüllen mit deutlich leichteren und mechanisch adaptierten Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FVK) genutzt. Dieses neue Gehäusedesign bietet neben einer Gewichtsreduktion und einer optimierten Spannungsverteilung innerhalb der Batteriezelle die Möglichkeit elektrische Komponenten und Sensoren in der Zellhülle zu integrieren.
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Das Vorhaben BaSiS – Batteriesicherheitssimulation wird im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE der Bundesregierung im Förderbereich: „Energiewirtschaftliche Schlüsselelemente der Elektromobilität“ gefördert.