Simulationssoftware Sichere Batteriesysteme für eVTOL-Fluggeräte

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Batterien für Electric Vertical Take-Off and Landing-Fluggeräte (eVTOL) müssen hohe Leistung für Start und Landung sowie eine hohe Energiedichte für die Reise liefern. Entwickler müssen dabei den Zielkonflikt zwischen Leistungs- und Energiedichte beachten und ein zuverlässiges Batteriemanagementsystem integrieren. Simulationen helfen, diesen Konflikt zu bewerten und Designanforderungen effizient zu analysieren.

In den letzten Jahren haben immer mehr Unternehmen die Entwicklung elektrisch angetriebener senkrechtstartender und -landender Fluggeräte (eVTOL) angekündigt. Einige stellen Systeme vor, die bereits in wenigen Jahren auf den Markt kommen sollen. Mit dem Fortschreiten neuer Designideen stellt sich eine zentrale Frage: Welche Anforderungen müssen Batterien erfüllen, um mit den Entwicklungen bei eVTOL-Fluggeräten Schritt zu halten?

Anforderungen an Batterien für eVTOL-Fluggeräte

Batterien im Bereich Transporttechnologie müssen sicher, langlebig und leistungsstark sein sowie kurze Ladezeiten ermöglichen. Zwar existieren durch den Aufschwung der Elektromobilität bereits leistungsfähige Batterien, doch unterscheiden sich die Anforderungen an Batterien für eVTOLs in entscheidenden Punkten von denen für Elektrofahrzeuge [1]. Beispielsweise müssen beim eVTOL-Betrieb die verschiedenen Flugphasen berücksichtigt werden: Die Batterie darf nicht so schwer sein, dass sie den Start behindert, muss aber gleichzeitig genügend Leistung für den vertikalen Start sowie genug Energie für den anschließenden Horizontalflug bereitstellen. Zudem sind eine lange Lebensdauer und schnelles Aufladen wichtig, da die Batterie zwischen Landung und erneutem Start zügig wieder einsatzbereit sein soll. Um ein sicheres Batteriesystem zu entwickeln, das diese Anforderungen erfüllt, müssen Leistungs- und Energiedichte sorgfältig abgewogen, ein optimales Batteriemanagementsystem entworfen und mögliche Alterungsprozesse frühzeitig berücksichtigt werden. Simulationen bieten einen effizienten Weg, diese Schritte zu durchlaufen und detaillierte Analysen auf verschiedenen Skalenebenen durchzuführen (Abbildung 1).

Leistungs-Energie-Abwägung

Für eVTOL-Fluggeräte ist es entscheidend, den doppelten Anspruch an hohe Leistung für Start und Landung sowie an hohe Energiedichte für den längeren Flug zu berücksichtigen. Idealerweise muss ein Gleichgewicht zwischen leistungsoptimierten und energieoptimierten Zellen gefunden werden. Leistungsoptimierte Zellen bieten eine hohe Leistungsdichte und können große Stromlasten bedienen – entscheidend für schnelle Beschleunigung, Start und Manöver. Diese Zellen sind besonders in den Start- und Landephasen unerlässlich, in denen kurzfristig hohe Energiemengen benötigt werden. Im Gegensatz dazu liefern energieoptimierte Zellen eine hohe Energiedichte und können mehr Energie speichern – was zu längeren Flugzeiten und einer größeren Reichweite führt. Diese Zellen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung des Fluges über längere Strecken ohne häufiges Nachladen.

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Batteriedesign auswerten und optimieren

Simulationen können bei der Auswertung und Optimierung des Batteriedesigns helfen, um das notwendige Gleichgewicht zwischen diesen beiden Anforderungen zu finden. Studien wie sogenannte Ratenfähigkeitsanalysen liefern wertvolle Einblicke, wie sich Batterien bei unterschiedlichen Lade- und Entladeraten verhalten. Durch die Simulation verschiedener C-Raten lassen sich Aspekte wie Kapazitätserhalt und Spannungsstabilität bewerten (Abbildung 2), was eine Einschätzung ermöglicht, wie sich unterschiedliche Batteriearchitekturen und Materialien unter realen Einsatzbedingungen verhalten. Durch die Variation von Parametern wie Elektrodenstärke, Porosität oder Zusammensetzung des Elektrolyten kann das Design so angepasst werden, dass eine ausgewogene Kombination aus Leistungs- und Energiedichte erreicht wird – mit positiven Effekten für Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Sicherheit und Lebensdauer von Batteriesystemen

Ein zentrales Element in der Entwicklung von Batteriesystemen für eVTOL-Fluggeräte ist das Batteriemanagement. Es überwacht kritische Betriebsparameter wie Spannung, Strom, Temperatur und Ladezustand (State of Charge, SOC), schützt vor Überladung, Tiefentladung und Überhitzung und sorgt durch Zellbalancierung für eine gleichmäßige Alterung im Batteriepack. Parallel dazu spielen Alterungsprozesse wie mechanische Degradation, Verlust aktiver Materialien oder Verarmung des Elektrolyten eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit im Betrieb.

Simulationen ermöglichen es, solche Degradationsmechanismen auf Zellebene nachzubilden und ihre Auswirkungen auf Ladeverhalten, Kapazitätsverlust und Innenwiderstand über viele Ladezyklen hinweg zu analysieren (Abbildung 4). Auch thermische Effekte lassen sich berücksichtigen: Kritische Hotspots, die Wärmeverteilung innerhalb eines Batteriemoduls oder der Verlauf eines thermischen Durchgehens können modelliert (Abbildung 5) und zur Optimierung des Wärmemanagements genutzt werden. So lassen sich verschiedene Kühlsysteme oder Schutzmechanismen virtuell testen, bevor ein physischer Prototyp gebaut wird.Durch die Kombination elektrischer, thermischer und chemischer Modelle entsteht ein umfassendes Verständnis der Batterieleistung über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Gerade bei eVTOL-Anwendungen müssen Sicherheit und Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen gewährleistet sein.

Skalierung, alternative Technologien und Ausblick

Lithium-Ionen-Batterien gelten derzeit als bevorzugte Technologie für eVTOL-Anwendungen. Alternativen wie Festkörper- oder Natrium-Ionen-Batterien sowie Brennstoffzellensysteme werden jedoch ebenfalls erforscht. Eine flexible Simulationsumgebung erlaubt die Modellierung verschiedener Zellchemien – von detaillierten mikroskopischen Modellen bis hin zu vereinfachten Ansätzen für die Integration in Gesamtsysteme wie vollständige eVTOL-Fluggeräte [2]. 

Niloofar Kamyab ist Applications Manager bei Comsol.

Fußnoten: [1] Asian Sky Group: The Key Things to Know about eVTOL Batteries, 2022;[2] H. Ekström, E. Fontes: Battery Modeling, Comsol