Französischer Automobilhersteller nutzt Simcenter Amesim, um das Batteriepaket zu optimieren und Kosten zu senken

Auf dem Weg zur Elektrifizierung

Das Jahr 2020 ist für die Automobilbranche von entscheidender Bedeutung. Neue Vorschriften und CO2-Emissionsnormen für Autos bedeuten, dass es keine Möglichkeit gibt, die Elektrifizierung zu umgehen. Alle externen Faktoren kommen zusammen, darunter staatliche Anreize, strengere Vorschriften und sinkende Batteriepreise. Die neueste globale Prognose der Boston Consulting Group (BCG) zeigt, dass der Absatz von elektrifizierten Fahrzeugen (xEVs) noch schneller steigt als erwartet. Laut BCG werden diese Fahrzeuge bis 2025 ein Drittel des Marktes ausmachen. Der französische Automobil- und Transporthersteller PSA Peugeot Citroen nutzt Simcenter Amesim, um das Batteriepaket zu optimieren und die Kosten bis 2030 um 51 Prozent zu senken. Ziel ist es, den Absatz von ausschließlich von Verbrennungsmotoren (ICEs) angetrieben Fahrzeugen zu übertreffen.

Alle Erstausrüstungshersteller (OEM) beschleunigen Pläne zur Elektrifizierung von Autos und die PSA Group bildet hier keine Ausnahme. Der Konzern hat sich schon seit einiger Zeit verpflichtet, saubere und nachhaltige Mobilität zu schaffen, sodass er aufgrund seiner Entscheidungen in der Vergangenheit auf die Energiewende vorbereitet ist. PSA Peugeot Citroen hat das Ziel, seine Fahrzeugpalette bis 2025 vollständig zu elektrifizieren.

Die Batterie als Kernstück der Elektrifizierung

Die Batterie ist eine zentrale Komponente, um die Kundenerwartungen an Elektrofahrzeuge zu erfüllen. Reichweitenangst ist nach wie vor ein großes Problem, das zu bewältigen ist. Die meisten Batterien von Elektrofahrzeugen verfügen über eine achtjährige Garantie oder eine Laufleistung von 160.000 Kilometern (km). Daher müssen OEM Strategien entwickeln, um die Alterung der Batterie zu verlangsamen. Eines der Hauptkriterien für Batteriealterung sind die Temperaturschwankungen, denen die Batterie ausgesetzt wird. Zwar steigt die Batteriekapazität bei hohen Temperaturen, doch verkürzt sich ihre Lebensdauer dadurch drastisch. Das Wärmemanagement von Batterien ist entscheidend, um optimale Temperaturen für jeden Fahrzustand zu erzielen. So kann der Anwender das perfekte Gleichgewicht zwischen Kapazität und Batterielebensdauer ermitteln.

In diesem Zusammenhang ist es entscheidend, das Batteriekühlsystem so zu konstruieren, dass es andere Fahrzeugleistungsattribute ausgleicht und die Batteriekapazität im Vergleich zur Lebensdauer optimiert. Einerseits kann sie nicht überdimensioniert werden, da sich dies auf die Gesamtfahrzeugleistung auswirken würde und da sie zu schwer wäre, zusätzliches Geld für den Bau eines komplexeren Systems erfordern und die Aerodynamik von Fahrzeugen verringern würde. Andererseits kann sie nicht unterdimensioniert werden, da sie die Sicherheit des Fahrzeugs, des Fahrers und der Insassen gefährden würde. Darüber hinaus ist es entscheidend, Autos zu konstruieren, die das optimale Gleichgewicht zwischen widersprüchlichen Attributen wie Komfort, Fahrfreude, Leistung und Langlebigkeit bieten.

Um diesen anspruchsvollen Konstruktionsanforderungen gerecht zu werden, müssen sich OEM an neue Entwicklungsprioritäten anpassen und eine Konstruktionsorganisation erstellen, die diesen Schlüsselbereichen zugeordnet ist. PSA Peugeot Citroen musste einen strategischen Schritt in diese Richtung machen. Beim Teamleiter der Batteriesystemmodellierung und -konstruktion konzentriert sich Greco auf funktionale Konstruktionsanalysen und multiphysikalische Modellierung. Batteriekonstruktion und -integration stehen an der Schnittstelle von Innovationen und müssen anspruchsvolle Anforderungen erfüllen, nicht nur Marketinganforderungen, sondern auch Ansprüche an die Sicherheit und den Komfort der Insassen, um die richtigen Bauteile für das Fahrzeug zu definieren.

Definieren der richtigen Batterie für bestimmte Ziele

„Die größte Herausforderung besteht darin, dass wir keine richtige Analyse und Auswertung der Batteriekonstruktion vornehmen können, ohne sie in die gesamte Fahrzeugarchitektur zu integrieren“, sagt Greco. „Es ist ein sehr komplexer Prozess, weil man die multiphysikalischen Aspekte berücksichtigen muss, einschließlich elektrischer, thermischer, Kühlungs- und Steuerungsteile im gleichen Modell. Das ist keine leichte Aufgabe, und deshalb haben wir uns für Simcenter Amesim entschieden, um diese technischen Herausforderungen zu bewältigen.“

Die optimale Konstruktion und Architektur des Wärmemanagementsystems der Batterie zu entwickeln, während sich Kosten, Wärmekomfort und Lebensdauer im Gleichgewicht befinden, ist eine schwierige Aufgabenstelltung. Entscheidungen müssen nicht nur die thermische Sicherheit und ihre Auswirkungen auf die Lebensdauer berücksichtigen, sondern auch die Reichweite und die Leistung durch Kabinen-Komfort und Batterietemperatur. Mehrstufige Modellierungs- und Multiphysik-Simulationen sind essenziell geworden, um die Auswirkungen der Architektur auf wichtige Leistungsattribute zu evaluieren und die Validierung von Steuerungsstrategien vorherzusehen.

„Darüber hinaus haben wir strenge Entwicklungszeitanforderungen, um eine wettbewerbsfähige Markteinführungszeit zu gewährleisten“, sagt Greco. „Wir müssen sehr agil sein. Manchmal müssen wir ein Bauteil oder ein Modell innerhalb einer Woche oder eines Tages ändern und uns an neue Anforderungen oder Daten des Lieferanten anpassen. Die Vielseitigkeit der multiphysikalischen Modelle ist entscheidend, um die Auswirkungen von Änderungen auf die erwarteten Leistungsniveaus realistisch zu beurteilen. Das ist einer der Gründe, warum wir uns entschieden haben, Simcenter Amesim für unsere multiphysikalische Analyse zu verwenden, da es uns hilft, agil zu bleiben“.

Entwicklung des Batteriesystemmodells aus der 3D-Konstruktion

Um das Wärmemanagement der Batterie zu analysieren, muss Greco nachvollziehen können, wie die Batterie von PSA Peugeot Citroen-Zulieferern entwickelt wird. Tier-Zulieferer dimensionieren und entwickeln das Batteriemodul in der Regel unter Berücksichtigung der ungünstigsten Einsatzbedingungen, um sicherzustellen, dass das Elektrofahrzeug unter allen Bedingungen funktioniert und die Batterielebensdauer mit der achtjährigen Gewährleistung übereinstimmt und den gesetzlichen Anforderungen entspricht.

Dennoch ist die Batterie oft überdimensioniert, ebenso wie das Kühlsystem. Dadurch verlängert sich nicht nur die Entwicklungszeit, sondern es verringert sich auch die Gesamtleistung des Fahrzeugs. Laut Greco ist „Die Überdimensionierung des Batteriepakets eine sichere Sache, aber sie führt zu höheren Kosten. Und das kann definitiv optimiert werden. Der Zugriff auf die Simulation ermöglicht es PSA Peugeot Citroen, die Batterieleistung und ihr Wärmemanagement schnell zu analysieren. Darüber hinaus ermöglicht sie dem Unternehmen, alternative Batteriekonstruktionen zu untersuchen, virtuell zu validieren und sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Leistungsniveaus erfüllen, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Wir können auch notwendige Verbesserungen an Batterielieferanten übermitteln." Die einzige Möglichkeit, die besten Optimierungsniveaus zu erreichen, ist die Verwendung von multiphysikalischen und dynamischen Modellen mit der Genauigkeit der 3D-Berechnung und der Flexibilität der 1D-Simulation.

„Wir haben das Wärmemanagement der Batterie mithilfe der 3D-Batteriemodellierung sowohl bei der statischen Auswertung als auch bei der thermischen Strömungsmodellierung der Zelle bewertet“, sagt Greco. „Dies geschah zu spät im Entwicklungszyklus und ermöglichte nicht, Änderungen der Batteriekonstruktion vorherzusagen. Es war daher von grundlegender Bedeutung, einen Weg zu finden, um ein thermisches und hydraulisches 3D-Modell in ein 1D-Modell mit dem Zusatz des elektrischen Teils zu übertragen, um das Wärmemanagement der Batterie frühzeitig im Entwicklungszyklus zu evaluieren.“

Um erfolgreich zu sein, entwickelte Greco mithilfe eines Knotennetzwerks eine Methodik zur Entwicklung eines 1D-Modells der Batterie aus einem thermischen 3D-Modell. Er erreichte ähnliche Ergebnisse wie die thermische-hydraulische 3D-Modellierung, jedoch mit kürzeren Laufzeiten. „Wir haben Simcenter Amesim verwendet, um diesen Ansatz zu entwickeln, der uns nicht nur dabei hilft, Simulationslaufzeiten zu speichern, sondern auch das dynamische Wärmemanagement der Batterie im Vergleich zu einer statischen Bewertung zu bestätigen, die wir normalerweise mit einem 3D-CFD-Modell (Kühlplatte) erreicht haben.“

Forderung an Lieferanten, eine bessere Zellkonstruktion zu realisieren

Greco arbeitete hauptsächlich an der Batterieentwicklung für Mild-Hybrid- und Elektrofahrzeuge. „Durch den Einsatz der Modelle, die mit Simcenter Amesim erstellt wurden, konnten wir unsere Studien im Durchschnitt doppelt so schnell wie bei unseren klassischen Verfahren durchführen – für die Modellentwicklung und Validierung von Komponenten des Batteriepakets mit der Ergänzung seiner multiphysischen Merkmale. Tatsächlich konnte ich anhand des Batteriemodells, das vom Lieferanten mit dem 3D-zu-1D-Simulationsansatz bereitgestellt wurde, zeigen, dass die Batterie einen thermischen Gesamtwiderstand von 0,9K/W (Worst Case) anstelle des vom Lieferanten vorgeschlagenen 1,8K/W haben könnte. Die neue Konstruktion (0,9K/W) konnte doppelt so viel Wärme wie der Lieferantenvorschlag für dieselben Kühlbedingungen abweisen und die erwartete Leistung in der technischen Spezifikation liefern.“

Greco hat diese Methodik bereits in einem frühen Entwicklungszyklus eines neuen Elektrofahrzeugs festgestellt. Dies ermöglichte es ihm, sich auch für eine „intrusive“ Konstruktion zu entscheiden. Daher erklärt Greco: „Die multiphysikalischen Simulationen und Ergebnisse helfen uns, die Leistung vorherzusagen, aber auch den Batterielieferanten aufzufordern, ein Batteriepaket so effizient zu gestalten wie das von ihnen angebotene, aber mit einem besseren Wärmemanagementsystem.“

Zeitersparnis dank verbesserter Simulationstechnik

„Die Entwicklung der Methode der Knotennetzwerke, um das Wärmemanagement der Batterie zu modellieren, war ein großer Schritt nach vorn, um sehr detaillierte und spezifische Anforderungen an die Batteriekonstruktion vorzuschlagen und den Zulieferer herauszufordern“, erklärt Greco.

Diese verbesserte Methodik ermöglicht es den Verantwortlichen der Batteriemodellierung, Entscheidungen früher im Entwicklungszyklus zu treffen und eine Batteriearchitektur zu definieren, die es ermöglicht, Zuverlässigkeits- und Sicherheitskriterien für eine optimale Gesamtleistung des Fahrzeugs zu erreichen. „Mit Simcenter Amesim haben wir bei einigen Projekten die Produktentwicklungszeit mit multiphysikalischer Modellierung von Monaten auf Wochen verkürzt. Die Montage ist einfach – manchmal reicht ein Nachmittag –, da das Simcenter Amesim-Framework und die Philosophie mit unserem multi-physikalischen Ansatz kompatibel sind, und es lässt sich leicht umsetzen.“