Optimierung von Lithium-Batteriesystemen mit CFD-Simulation zur Reduzierung von Entwicklungszeit und -kosten

Einführung

Forsee Power wurde 2011 gegründet und ist ein Pionier und weltweit führendes Unternehmen in der Konstruktion und Fertigung intelligenter Lithium-Batteriesysteme für Fahrzeuge und andere Produkte. Das Unternehmen
setzt auf stetige Innovation durch die Bereitstellung leistungsstarker, sicherer und langlebiger Batteriesysteme, die nach einem standardisierten Konstruktionsansatz entwickelt werden. Dieser Konstruktionsansatz gewährleistet Flexibilität, um die individuellen Anforderungen des Kunden zu erfüllen.

Das Innovationsengagement des Unternehmens erstreckt sich auch auf die Optimierung der Wärmeableitung, eine große Herausforderung bei Lithium-Batteriesystemen. Das Unternehmen erkannte, dass es über 1D-Simulationen und das Untersuchen von Daten in Tabellenkalkulationen hinausgehen musste. Zu diesem Zweck hat sich Forsee Power mit Siemens Digital Industries Software zusammengetan und die Software Simcenter™ STAR-CCM+™ als Lösung integriert, die Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform aus Software,
Hardware und Services ist.

Überwindung thermischer Herausforderungen von Batterien

Wenn es um die Entwicklung von Batteriesystemen geht, gibt es mehrere Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die thermische Auslegung und die thermische Start- und Landebahnkontrolle, die ebenfalls Schlüsselfaktoren für die Bewertung der Sicherheitsleistung von Batteriepaketen sind. Forsee Power muss die thermische Auslegungsleistung des gesamten Batteriepakets auf der Grundlage der thermischen Parameter eines einzelnen Kerns, die das Kernkonstruktionsunternehmen in einem frühen Entwicklungsstadium bereitstellt, genau ermitteln. Zudem musste das Unternehmen sicherstellen, dass Probleme nicht erst in nachfolgenden Experimenten oder späteren Konstruktionsphasen aufgedeckt werden.

Ihr bisheriger Prozess spiegelte häufig nicht alle Details zur Batterieerwärmung wider. Ohne ausreichende Details zu den lokalen Hotspots der Batterie kann es zu einem thermischen Ausfall des gesamten Kühlsystems des Batteriepakets kommen.

Außerdem war es bei diesem Verfahren unmöglich, thermische Tests ohne einen physischen Prototyp in den früheren Konstruktionsphasen durchzuführen. Wenn ein Problem auftrat, geschah dies in der Regel später im Konstruktionsprozess auf, was den experimentellen und zeitlichen Aufwand durch die Änderung einer bereits erstellten Konstruktion erhöhte.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wusste Forsee Power, dass es eine Simulationslösung benötigte, um thermische Probleme frühzeitig im Konstruktionsprozess zu erkennen.

Forsee Power hat sich auf die Entwicklung und Herstellung von intelligenten Batteriesystemen spezialisiert. Das Unternehmen ist fest davon überzeugt, dass
innovative Batterielösungen für eine erfolgreiche und nachhaltige Energiewende entscheidend sind und den Lebenszyklus von intelligenter Mobilität und Geräten weltweit optimieren.

Nutzung von Simulationen für das Wärmemanagement von Batterien

Batteriehersteller verwenden häufig Simulationssoftware für das Wärmemanagement von Batteriepaketen. Nachdem eine Simulation ihre Parameter und Lösungen verifiziert hat, kann der Konstrukteur die Simulation erweitern, um die Produktperformance zu überprüfen und die Anzahl der Versuchsdurchläufe zu reduzieren.

„Mit Simcenter STAR-CCM+ konnten wir die Leistung der thermischen Auslegung bereits in einer frühen Phase der Konstruktion präzise ermitteln“, sagt Kinny Ruan, Maschinenbaukonstrukteur bei Forsee Power.

Dank der CAD-Schnittstelle (Computer-Aided Design) in Simcenter STAR-CCM+ konnten die Konstrukteure von Forsee Power Konstruktionen direkt in das Batteriepaket-Modell importieren. Anhand der Kernwärmedaten, die das Konstruktionsteam bereitstellt, simuliert und verifiziert die Software die Wärmeableitungseffizienz der Komponente, wie z. B. Kühlkanäle und Lüfter. Dieses Verfahren kann die meisten herkömmlichen und physikalischen Experimente ersetzen und die gesamte Konstruktionsphase optimieren.

Ein wichtiger Durchbruch liegt in der Gewinnung detaillierter 3D-Temperaturverteilungsdaten des Batteriepakets unter Zyklusbedingungen mithilfe von Simulationen. Durch die Nutzung von Simcenter STAR-CCM+ können Ingenieure im Bereich Forschung und Entwicklung (F&E) Konstruktionsentscheidungen auf der Grundlage der Kundenanforderungen anpassen und treffen und dann schnell die Wärmeableitungsleistung des Batteriepakets ermitteln. Dieser
Prozess verkürzte die FuE-Zyklen und senkte die damit verbundenen Kosten.

„Die Übergabe der Rechenaufgaben an die Simcenter-Software ermöglichte es den Konstrukteuren, sich intensiver mit der Entwicklung von Konstruktionsideen und der Definition von Randbedingungen zu befassen und dadurch die Produktperformance nachhaltig zu verbessern“, so Ken Yan, Simulationsingenieur bei Forsee Power.

Darüber hinaus tragen die intelligenten Batteriesysteme von Forsee Power erheblich zur Verbesserung der Mobilität bei. Durch die Erstellung kundenspezifischer Varianten standardisierter Produkte kann das Unternehmen Anforderungen für eine Vielzahl von Anwendungsszenarien erfüllen. Es gibt keine Einheitslösung für alle; jeder Kunde erhält eine vielseitige und zuverlässige Lösung.

Mit Simcenter STAR-CCM+ können Ingenieure die Leistung der thermischen Auslegung präzise bewerten und lokale Hotspots in der Batterie identifizieren. Dies ermöglicht die Optimierung des Kühlsystems des Batteriepakets für eine optimale Leistung.

Anwendung von CFD-Simulationen zur Leistungsüberprüfung

Um den Erfolg oder Misserfolg eines Produkts zu bestimmen, ist es wichtig, die spezifischen Details der Produktentwicklung im Auge zu behalten, da sie während des gesamten Konstruktions- und Entwicklungsprozesses immer wieder modifiziert werden. Das Unternehmen benötigte hierfür eine Lösung; es gab jedoch zwei Hauptbedenken bei der Anwendung einer Simulation der Computational Fluid Dynamics (CFD). Erstens ging es darum, die Genauigkeit der Simulation zu gewährleisten, und zweitens die Effizienz der Simulation.

Bei der Anwendung dieses Tools auf ihre kompakte, modulare, luftgekühlte Batterie PULSE 0.5 konnten die Konstrukteure dessen Genauigkeit in einer extremen Umgebung bei 40° Celsius verifizieren. Beim Vergleich der experimentellen und Simulationsergebnisse zeigten die Feedback-Simulation und die gemessenen Trends eine gute Übereinstimmung, wobei der durch die Simulation überwachte Temperaturfehler unter 5 Prozent lag. Die gemessenen Hoch- und Tieftemperaturpositionen des Produkts wurden von der Software sorgfältig angezeigt, was ihre Leistung bei der Simulation des Experiments deutlich zeigte.

Der Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ half den Ingenieuren von Forsee Power, indem die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen intuitiver gestaltet wurden. Mit diesem 3D-Fluid-Wärmesimulationstool konnten sich die Konstrukteure auf verschiedene Details konzentrieren und an der Verifizierung der Produktleistung arbeiten.

Diese Lösung ermöglichte es Forsee Power, die Häufigkeit von Experimenten zu verringern und exakte Temperaturdaten für die Lebenszyklus-Simulation zu gewinnen.

Forsee Power hat die Simulationsergebnisse validiert und ihre Genauigkeit und Übereinstimmung mit experimentellen Testdaten bestätigt. Das Diagramm illustriert, dass die thermischen Simulationsdaten mit einer Fehlertoleranz von innerhalb 5 % nahezu deckungsgleich mit den experimentellen Daten sind.

Entwicklung besserer Batteriekonstruktionen

Die Integration von Simcenter STAR-CCM+ in den Engineering-Workflow von Forsee Power spielte eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung des Konstruktionsprozesses und der Verbesserung der Fähigkeit, diese optimierten und kosteneffizienten Ergebnisse zu erzielen. Die Nutzung von Simcenter STAR-CCM+ hat es dem Unternehmen ermöglicht, thermische Herausforderungen bei der Entwicklung von Batteriepaketen zu verstehen und zu bewältigen, was zu einer verbesserten Sicherheit und Leistung führt.

Die Erfolgsgeschichte von Forsee Power veranschaulicht den transformativen Einfluss der Konstruktionssoftware von Siemens bei der Bewältigung komplexer Herausforderungen in der Entwicklung von Lithium-Batteriesystemen. Während das Unternehmen die Produktkonstruktion und -leistungsfähigkeit kontinuierlich verbessert, hält es unbeirrt an seinem Engagement für Innovation und Zuverlässigkeit in der Branche der intelligenten Batteriesysteme fest.

Forsee Power enthüllte 2022 die High-Power-Batterie PULSE 0.5, die speziell für den Off-Highway-Markt entwickelt wurde – insbesondere für den Einsatz in Landwirtschaft, Industrie, Forstwirtschaft, Bergbau und für Gabelstapler und Bagger.