Akkumanagement: Präzisere Syteme für Elektrofahrzeuge

Indien ist ein schnell wachsender Markt für Elektrofahrzeuge. Eine Studie von Arthur D. Little prognostiziert, dass bis 2030 mehr als 30 Prozent der in Indien verkauften Fahrzeuge elektrisch sein werden. Die Akkus, die diese Elektrofahrzeuge antreiben, sind einer der Schlüsselfaktoren für die Revolution der Elektromobilität in Indien. Um die Leistung und Sicherheit der Akkus überwachen und steuern zu können, sind sie in der Regel mit einem System für das Akkumanagement (BMS) ausgestattet. Ein BMS ist ein elektronisches System, das die Spannung, die Temperatur, den Kühlmittelfluss und den Zustand eines Akkus überwacht und eine Reihe anderer Leistungsparameter wie Stromschwankungen und Wärmeentwicklung vorhersagt, um die optimale Leistung aus dem Akku herauszuholen.

Akkumanagement: Entwicklung eines präzisen BMS

Exicom Tele-Systems Pvt Ltd. entwirft, entwickelt und implementiert Energielösungen, einschließlich der neuesten Lithium-Ionen-Akkutechnologien. Bis heute hat das Unternehmen Lithium-Ionen-Akkulösungen mit einer Gesamtkapazität von mehr als 1,8 GWh installiert – eine der höchsten Kapazitäten weltweit, die ein einzelnes Unter­nehmen bereitgestellt hat. Die innovativen BMS-­Lösungen von Exicom werden für ihre Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit geschätzt.

Im Forschungs- und Entwicklungszen­trum von Exicom in Gurugram, Indien, hat das Technologieteam unter der Leitung von Dr. Parmender Singh ein BMS entwickelt, das sich zur präzisen Überwachung und Steuerung von Lithium-Ionen-Akkus in Anwendungen mit einem breiten Spannungsbereich (bis zu 1.000 Volt) einsetzen lässt. Dieses BMS ist außerdem chemikalienunabhängig und kann mit Lithium-Ionen-Akkus unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung wie Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) verwendet werden.

Die Genauigkeit des BMS hängt von der Qualität und Korrektheit der Eingangsdaten ab, die zur Programmierung oder Kalibrierung des Systems zum Einsatz kommen. Zum Beispiel enthält das BMS eine Reihe von Temperatursensoren, die über den Akku verteilt sind. Um die Temperaturverteilung eines Akkupacks genau überwachen und die entsprechende Leistung vorhersagen zu können, müssen die Sensoren an den richtigen Stellen platziert werden. Dies erfordert ein detailliertes Verständnis des thermischen Profils jeder einzelnen Akkuzelle sowie der Temperaturverteilung im gesamten Akkupack.

Thermisches Durchgehen vorhersagen und verhindern

Das Team von Dr. Singh bei Exicom verwendete die Simulationssoftware Comsol Multiphysics, um eine Reihe von Analysen des thermischen Verhaltens von Akkuzellen durchzuführen. „Comsol ist ein einfach zu erlernendes und anpassbares Finite-­Elemente-Tool für die Akku-Entwicklung und thermische Modellierung“, betont Dr. Singh. Sein Team nutzte die Akkumanagement-Simulation auch, um mögliche externe Kurzschlüsse zu analysieren, die zu thermischem Durchgehen führen können – einem unkontrollierten Selbsterhitzungsprozess, der die Geräte beschädigen oder sogar zu Bränden führen kann.

Das Exicom-Team analysierte zunächst die Wärmeentwicklung in zylindrischen Zellen mit unterschiedlichen Formfaktoren und erweiterte dieses Modell auf der Grundlage des für die Zellen erzeugten Wärmeprofils auf die Ebene von Akkupacks. „Wir waren besonders daran interessiert, den Temperaturgradienten über luftgekühlte Akkupacks zu verbessern“, sagt Dr. Singh.

Die Validierung der Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen zeigte, dass die Fehlergrenzen von ±5 Prozent für das Standard-Lade-Entlade-Profil eingehalten werden. Das Modell hat man dann für eine 2C-Entladung bei 100 Prozent Ladezustand gemäß der Norm UL1642 erweitert, die für externe Kurzschlusstests definiert ist.

Die positiven und negativen Pole der Zelle wurden über einen Widerstand von 80 ±20 mΩ kurzgeschlossen. Das thermische Comsol-Modell, das auf einem Lumped-Ansatz basiert, wurde mit experimentellen Daten für die Lade-Entlade-Profile der Zelle validiert. Der Lumped-Ansatz ermöglichte es Dr. Singh und seinem Team, Modelle mit einer minimalen Anzahl von Parametern zu erstellen wie Zellgeometrie, Elektrodendicke, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Fahrzyklus und Ladezustand-Leerlaufspannung-Tabelle. Diese Informationen haben die Akkuhersteller zur Verfügung gestellt.

Die experimentelle Bestimmung dieser Parameter ist nicht nur zeitraubend, sondern aufgrund variabler Versuchsbedingungen auch fehleranfällig. So schwankt beispielsweise die Umgebungstemperatur. Um ein genaues thermisches Profil einer Zelle zu erstellen, müssen daher umfangreiche Testreihen bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen durchgeführt werden. Mit Hilfe der Simulation konnten Dr. Singh und sein Team jedoch die Lade- und Entladeprofile, das thermische Verhalten bei unterschiedlichen Lade- und Entladeraten sowie das thermische Durchgehen aufgrund von externen oder internen Kurzschlüssen für verschiedene Zellchemien effizient untersuchen.

Darüber hinaus konnten sie Hotspots im Akkupack identifizieren und die Klassifizierung der Zellen anhand der Kapazitätsverlustanalyse mit hoher Genauigkeit bestimmen. Diese Ergebnisse wirkten sich direkt auf die Verkürzung der Entwicklungszeit des Systems für Akkumanagement aus, da die Hotspots die besten Positionen für den Einsatz der Temperatursensoren innerhalb des BMS aufzeigten.

Akkumanagement: Perspektiven für die Zukunft

Das Exicom-Team arbeitet derzeit an einer elektrochemischen P2D-Modellierung für die Wärme- und Kapazitätsverlustanalyse auf Zellebene. Die Experten beabsichtigen, das Modell mit zusätzlichen thermischen exothermen Gleichungen an den Elektroden und der SEI-Schicht zu erweitern, um die Genauigkeit während des thermischen Durchgehens zu verbessern. Sie planen auch, das Lumped-Modell des Kapazitätsverlusts für zyklische und kalendarische Vorhersage­analysen zu verwenden.

Mit der weltweit zunehmenden Umstellung auf Elektromobilität dürfte die Forschung im Bereich der Akkutechnologie in den kommenden Jahren deutlich zunehmen. Simulationssoftware wie Comsol bietet Unternehmen in der Elektromobilitätsbranche einen entscheidenden Vorsprung, um effektivere Lösungen anzubieten und die Markteinführungszeit ihrer Produkte zu verkürzen.

Neena Picardo ist Marketing Executive bei Comsol Multiphysics.