Steigerung der Genauigkeit und Geschwindigkeit von Simulationen für Batterien von Elektrofahrzeugen

Entwicklung sichererer, zuverlässigerer Batterien für Elektrofahrzeuge

Die genaue Vorhersage der Wärmeleistung von EV-Batterien ist vielleicht die größte Herausforderung für die Automobilhersteller (OEMs). Batterien haben einen Temperaturbereich, in dem sie arbeiten können, um Ausfälle zu vermeiden. Wenn die Batterie außerhalb dieses Bereichs betrieben wird, kann dies die Lebensdauer der Batterie verkürzen oder sogar die Sicherheit der Insassen gefährden.

Es ist daher keine Überraschung, dass Audi, eine Marke, die weltweit für ihre hochwertigen Premiumfahrzeuge bekannt ist, ein hochspezialisiertes Team zusammengestellt hat, das sich mit der Entwicklung von Hochspannungsbatteriesystemen beschäftigt. Die Beiträge dieses in Deutschland ansässigen Teams sind entscheidend für die Vision von Audi, die Mobilität von morgen zu gestalten und ein außergewöhnliches Fahrerlebnis zu gewährleisten, das digital, elektrisch und nachhaltig ist.

Erhöhung der Genauigkeit des thermischen Modells

Joohwa Sarah Lee, Concept Development Engineer, ist Teil dieses Teams und spezialisiert auf die Wärmeleistung von Batterien.

„Die Erstellung präziser thermischer Simulationsmodelle ist ein wichtiger Aspekt der Arbeit meines Teams“, erläutert Lee. „Die Modelle selbst sind sehr wichtig, da sie direkt zu unserem Ziel beitragen, das thermische Leistungsvermögen der Batterien zu optimieren.“

Im Jahr 2021 stellten Lee und ihr Team fest, dass die Simulationsergebnisse in bestimmten Fällen und unter bestimmten Bedingungen nicht mit den Testmessungen übereinstimmten. Daher machte sich Lee daran, die Qualität dieser Simulationsmodelle zu verbessern. Lee und ihr Team entschieden sich für Simcenter™ Engineering and Consulting Services von Siemens Digital Industries Software als Entwicklungspartner.

„Wir haben uns für Simcenter entschieden, weil die Tools von Simcenter nicht nur eine nahtlose Verbindung zwischen 1D- und 3D-Modellen ermöglichen, sondern auch die Anbindung an Tools von Drittanbietern“, berichtet Lee. „Simcenter Engineering Services hat uns das technische Wissen und den Support zur Verfügung gestellt, um uns bei der Einrichtung dieser Integrationen zu unterstützen und die höchstmögliche Genauigkeit zu gewährleisten.“

Kombination von 1D- und 3D-Simulationen

Traditionell wurde die Geometrie von Modulen und Packs mit Hilfe von 3D-Wärmesimulationen mit numerischer Strömungsmechanik (CFD) modelliert. Diese Methode ist mit erheblichen Rechenkosten verbunden und kann Tage oder Wochen in Anspruch nehmen. Darüber hinaus sind umfangreiche Kenntnisse der Parameter und Erfahrung mit 3D-Simulationen erforderlich, um ein genaues 3D-Modell zu erstellen. Die Simulation von 1D-Systemen ist viel schneller, aber es ist oft schwierig, 1D-Modelle aus einem 3D-Modell zu erzeugen, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Simcenter Engineering Services zielten darauf ab, ein schnelleres und genaueres Wärmemodell für den Batteriesatz zu erstellen, um die Batteriemanagementsysteme von Audi zu unterstützen, von der anfänglichen Strategieentwicklung bis hin zur Validierung mit den übrigen Teilsystemen des Fahrzeugs. Diese Modelle mussten mehrere Parameter berücksichtigen, darunter Strom, Temperaturschwankungen des Kühlmittels, Konnektivität mit elektrischen 1D-Modellen und Integration mit MATLAB/Simulink. Lee und ihr Team stellten dem Simcenter-Team Testfälle und Randbedingungen für eine Vielzahl von Szenarien zur Verfügung.

Ein individueller Workflow

Durch die Kombination von Simcenter STAR-CCM+™ und Simcenter Amesim™, die Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform aus Software, Hardware und Services sind, entwickelten die Experten von Simcenter Engineering Services einen halbautomatischen Workflow, um aus einem 3D-Modell von Simcenter STAR-CCM+ ein 1D-Modell auf Systemebene in Simcenter Amesim zu generieren. Der Zweck dieses Workflows war es, sicherzustellen, dass die Anwender der 1D-Simulation von Audi von dem hohen Detaillierungsgrad der 3D-Modelle profitieren und gleichzeitig die Geschwindigkeit der 1D-Simulation beibehalten können.

Anhand spezifischer Eingaben berechnete Simcenter STAR-CCM+ mehrere stationäre Bedingungen, die den gewählten Auslegungsraum abdeckten, wie z. B. Kühlmitteleinlasstemperatur, Durchflussmenge und Stromstärke. Aus den Daten kann dann ein elektrothermisches 1D-Modell abgeleitet werden, um transiente Szenarien für den gesamten Stack zu untersuchen.

Zeitersparnis und höhere Genauigkeit

Der von den Experten von Simcenter Engineering Services entwickelte Workflow hat die Rechenzeit für thermische Batteriesimulationen auf nur wenige Minuten reduziert. Eines der anschaulichsten Beispiele ist die Simulation eines Ladeszenarios für Elektrofahrzeugbatterien von 10 Prozent Batteriekapazität auf 80 Prozent.

„Als Ergebnis unseres Projekts mit Simcenter Engineering Services konnten wir die Simulationszeit für das Ladeszenario von fast einem ganzen Tag auf weniger als eine Minute reduzieren“, sagt Lee. „Das ist ein enormer Unterschied in der Berechnungszeit. Wir haben auch eine deutliche Verbesserung der Simulationsergebnisse festgestellt, insbesondere bei Studien zum Temperaturverhalten.“

„Wir haben andere Lösungen für dieses Problem untersucht, aber kein anderes Unternehmen bot ein solches Maß an Konnektivität zwischen den Tools wie Siemens. Die Kombination eines detaillierten 3D-Modells in Simcenter STAR-CCM+ mit der Geschwindigkeit und Effizienz von Simcenter Amesim und Tools von Drittanbietern, die vom Simcenter Engineering Services-Team unterstützt werden, war ein entscheidender Vorteil. Wir freuen uns auch darauf, andere Aspekte des Simcenter-Portfolios zu erkunden, darunter Simcenter Battery Design Studio.“

Lee und ihr Team blicken optimistisch in die Zukunft ihrer Partnerschaft mit Simcenter Engineering Services.

„Wir werden unsere neuen Tools und Methoden auch bei zukünftigen Herausforderungen anwenden“, betont Lee. „Wir sind dankbar für die Unterstützung durch das Team von Simcenter Engineering Services und ihre Bereitschaft und Kompetenz, uns bei der Lösung schwieriger Probleme zu helfen.“