Comsol: Wie sich ein Akkupack optimal simulieren und konstruieren lässt

Die echten Grenzen der Energiedichte eines Akkupack steckt die Naturwissenschaft ab, die Chemie. Sie bestimmt die theoretisch mögliche Energiedichte ohne Verluste, die durch ungünstige Gestaltung entstehen können. Chemie bedeutet bei einem Akku die Kombination aus Elektrodenmaterial und die Zusammensetzung des Elektrolyten. Lithium-Luft-Zellen beispielsweise können annähernd die Energiedichte von Benzin erreichen, was aus heutiger Sicht die maximal mögliche Energiedichte eines in dieser Weise gebauten Akkus markiert. Das reale Design des Akkupack kann jedoch die Gesamtenergiedichte eines Akkusystems erheblich beeinflussen. Maßgeblich sind das Wärmemanagement und für die Stromabnahme erforderliche Komponenten. Diese Systeme tragen entscheidend zum Gewicht des Gesamtsystems bei, und damit eben auch zur Gesamtenergiedichte.

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Autor: Ed Fontes ist CTO bei Comsol Multiphysics in Stockholm, Schweden.

Hier die Aufzeichnung eines Webinars zum Thema von Comsol in Kooperation mit SAE International vom 21. November 2019 (ein Jahr verfügbar).

Viel Akku-Leistung in kurzer Zeit

Die Leistungsdichte eines Akkus ist wichtig für die Effizienz von Elektrofahrzeugen. Eine hohe Leistungsdichte ist erforderlich, um beim regenerativen Bremsen oder Schnellladevorgang in kurzer Zeit hohe Energiemengen zurückgewinnen zu können. Das ist ein herausforderndes Optimierungsproblem, denn das System muss mit sehr hohen Stromdichten beim Aufladen und relativ niedrigen Stromdichten bei der Entladung zurechtkommen, was sich auch auf das Wärmemanagement und die Konstruktion des bereits erwähnten Stromabnehmers auswirkt. Natürlich sind auch die grundlegenden Akkukomponenten wie Elektroden, Separatoren und Elektrolyt in die Betrachtung einzubeziehen, um schon hier möglichst nahe an die theoretisch-mögliche Leistungsdichte heranzureichen.

Alterung, Zuverlässigkeit und Sicherheit bei Akkupacks

Die Alterung eines Akkupacks ist ein essentieller Aspekt der Nutzerzufriedenheit, der auch eng mit Sicherheit und Zuverlässigkeit verbunden ist. Sehr ungünstig ist es, wenn der Akku plötzlich ohne Ankündigung defekt ist. Vielmehr sollten Verschleiß und letztlich der Ausfall langsam, kontrolliert und transparent erfolgen. Dies ist nicht nur eine Frage der Chemie des Akkus, sondern auch der Konstruktion, denn ungleichmäßige Stromdichteverteilungen und schlecht gesteuerte Ladung sowie Entladung und eine ineffiziente Regelung des Wärmemanagementsystems können den Verschleiß beschleunigen und das Ausfallrisiko erhöhen. Auch Kurzschlüsse durch Metallabscheidungen können zu Leistungseinbußen oder gar zu unkontrolliertem Aufheizen führen. Um solche Risiken zu minimieren oder gar auszuschließen sind Technologien zur Zustandsüberwachung des Akkus erforderlich.

Höhere Stückzahlen senken die Kosten von Akkupacks

Quelle: ComsolQuelle: Comsol

Akkus erscheinen heute noch recht teuer. Die Herstellung von Hochleistungsakkus für elektrische Antriebe von beispielsweise Elektrofahrzeugen ist jedoch noch nicht in dem Maße optimiert wie die Prozesse in der Fertigung von Verbrennungsmotoren oder wie die Fertigungsprozesse für Akkus von Konsumgütern wie Smartphones. Es besteht also großes Potenzial in Produktivitätssteigerungen und Kostensenkungen durch Großserienfertigung auch der einzelnen Akkukomponenten.

Akkumulatoren und Nachhaltigkeit

Bei der Entwicklung neuer Akkus sollte auch der Aspekt der Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Es sollte eine Strategie für den Abbau, das Recycling, die Produktion und die Entsorgung neuer Akkutypen geben. Dies ist auch eine rechtliche Angelegenheit, aber auch eine wirtschaftliche Aufgabe für Akkuhersteller und Abnehmer wie die Autobauer.

Modellierung und Simulation von Akkus

Das Verständnis und die Optimierung der Akkukomponenten wie Elektroden, Elektrolyt und Separator, kann durch Modellierung und Simulation beschleunigt werden. Das betrifft Systeme wie Wärmemanagement, Stromabnahme und Zustandsüberwachung.

Quelle: ComsolQuelle: Comsol

Wie so eine Simulation aussehen kann, zeigt Bild 1. Hier ist die multiphysikalische Simulation des Temperaturprofils eines flüssiggekühlten Akkupack dargestellt. Strömung und Temperatur sind dabei in 3D modelliert und ein komprimiertes eindimensionales Modell des Lithium-Ionen-Akkus dient der Berechnung der Wärmequelle. Die Optimierung der Kanäle in Kühlplatten ist eine häufige Anwendung in der Automobilindustrie. Beispielsweise verwendet das Fiat Research Center mathematische Modellierungen, um das Wärmemanagement von Akkus für Hybridfahrzeuge zu untersuchen, wie ein Bericht erläutert [1].

Bei der grundlegenden Untersuchung von Akkukomponenten und der Entwicklung von Zustandsüberwachungsmethoden kann eine Kombination aus experimentellen Messungen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und mathematischen Modellen weiterhelfen. Das französischen Forschungsinstituts CEA liefert hier ein publiziertes Beispiel [2]. Bild 2 zeigt eine Applikation die ein physikbasiertes Modell des EIS nutzt. Die experimentellen Daten der EIS-Messungen dienen als Input der Applikation, die diese Messungen simuliert und anschließend Parameterabschätzungen durchführt. So lassen sich beispielsweise optimale Werte für die Aktivität der Elektroden, die Größe der Oberfläche und die elektrischen Leitfähigkeiten der Komponenten ermitteln. jbi ‹

Referenzen

[1] The Thermal Management of Li-ion Battery Packs. Michele Gosso, Antonio Fiumara. Fiat Research Center, Orbassano, Italy. Comsol News (2012), 48-49.

[2] Highly Accurate Li-ion Battery Simulation. Mikael Cugnet. French Atomic and Alternative Energy Commission (CEA), France. Comsol News (2013), 44-45.

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