Virtueller Prototyp senkt Kosten bei Batterieentwicklung

Simulation statt Hardware

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Die Entwickler von Elektro- und Hybridantrieben sehen sich hauptsächlich mit zwei großen Herausforderungen konfrontiert. Einerseits sind immer größere Batteriekapazitäten notwendig, andererseits lautet die Devise, Kosten für Entwicklung und Produktion so gering wie möglich zu gestalten. Dieser Beitrag zeigt, wie eine effiziente Prüfsimulation die Entwicklungskosten minimiert.

Der Autor Dr. Stefan Germann ist tätig im Bereich Produktmanagement Battery Simulation bei Horiba Automotive Test Systems, Darmstadt

Derzeit kostet die Speicherleistung einer Kilowattstunde (kWh) zwischen 300 und 700 €. Somit liegen die Kosten allein für die Batterie eines (Klein)serienelektrofahrzeugs zwischen 5000 und 15 000 €. Eine Verringerung der Batteriekosten bei gleichzeitig vergrößerter Speicherkapazität ist vor diesem Hintergrund bereits in der Entwicklungsphase ein wichtiger Faktor, um Entwicklungs- und Produktionskosten zu reduzieren.
Batteriesimulation für alternativer Antriebe
Eine solche Möglichkeit bietet das virtuelle Batteriesystem von Horiba, mit dem sich der Hersteller in erster Linie an die Entwickler von Elektrofahrzeugen (EV), Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV) richtet. Das virtuelle Batteriesystem beschleunigt bei der Entwicklung alternativer Antriebe die Integration der Batterie in den Antriebsstrang sowie deren Kalibrierung und Optimierung. Dazu simuliert es Batteriepakete, welche die Prüfer entsprechend der jeweils spezifischen Anforderungen der unterschiedlichen Antriebsarten auslegen können. Das virtuelle Batteriesystem ermöglicht somit Testläufe von alternativen Antrieben lange vor einer Serienproduktion von Antrieb und Energiespeicher. Die parallele Entwicklung von Motor, Antrieb, Elektronik und Batteriepaket spart dabei Zeit und Geld.
Einbettung in die Prüfzelle
Die Einbettung des virtuellen Batteriesystems in die Prüfautomatisierung einer Prüfzelle für Elektromotoren ermöglicht das Durchlaufen umfangreicher Testreihen. Dabei lassen sich diverse Parameter von Batterie und Antrieb schon während des Fahr- und Testzyklus verändern. Horiba bietet das virtuelle Batteriesystem als Komplettlösung mit aufeinander abgestimmter Hardware, Software und Sicherheitsfeatures an. Eine nachträgliche Applikation zu bereits vorhandenen Batteriekreislaufsystemen, um eine verbesserte Batterieemulation zu gewähren, ist jedoch ebenso möglich.
Bei Prüfläufen in einer voll ausgestatteten Testzelle simuliert ein Gleichstromversorger die Batterieleistung. Angesteuert durch die Software des virtuellen Batteriesystems liefert dieser eine maximale Stromstärke von 600 A und eine maximale Spannung von 600 V. Konfigurierbare Widerstandswerte simulieren verschiedene komplexe Batterieverhaltensmuster und bilden die entsprechenden nicht linearen Ladekennlinien eines Alltagsbetriebs nach. Dies gestattet auch die Darstellung regenerativer Phasen der Batterie und ermöglicht ein genaues Abbild realer Fahrzyklen. Angeschlossene Steuergeräte übernehmen wie im Fahrzeugalltag die Regelungsfunktion und schalten die Energiezufuhr zum Antrieb ab, bevor die Batterie durch eine Tiefenentladung nachhaltig Schaden nimmt.
Simulation komplexer Batterieverhalten
Durch die umfangreichen Einstellungsmöglichkeiten simuliert das virtuelle Batteriesystem, anders als sonst erhältlichen Lösungen, nicht nur unterschiedliche Ladestände der Batterie. Zusätzlich stellt es alle Parameter dar, die den Lebenszyklus und die Lebensdauer einer Batterie entscheidend beeinflussen. Dies beinhaltet Einflussgrößen wie Batteriealter, Batteriebelastung, Umwelteinflüsse und Zusammensetzung des Batteriepakets. Durch die Simulationen vermeiden OEM und Entwickler von alternativen Antrieben die Herstellung aufwändiger Batterieprototypen und sind trotzdem in der Lage, zuverlässige Prognosen über das Verhalten von Antrieb und Leistungsquelle zu treffen.
Die verschiedenen Antriebskonzepte, die unter dem Sammelbegriff „alternative Antriebe“ zusammengefasst sind, unterscheiden sich signifikant voneinander. Sie stellen jeweils sehr spezielle Anforderungen an Batteriekapazität und Ladezyklen. Aus diesem Grund sind verschiedenartige Batterietechnologien und chemische Eigenschaften notwendig, um auf diese Anforderungen zu reagieren. Beispielsweise benötigen PHEVs in erster Linie hohe Leistungsdichten, also die Möglichkeit, schnell relativ viel Energie abzuführen. EVs hingegen stellen besondere Ansprüche an die Speicherkapazität, damit eine Batterieladung eine möglichst große Reichweite ermöglicht.
Unterschiedliche vorkonfigurierte Batteriemodelle
Fünf werkseitig vorkonfigurierte Batteriemodelle ermöglichen es den Testern, diesen unterschiedlichen Bedürfnissen zu begegnen. Die vorparametrierten Simulationen von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFePO4), Nickel-Metallhydrid- (NiMH), Blei-Gel-Akkumulatoren sowie Ultra-Capacitoren dienen dabei als direkter Einsteig in die Antriebsprüfung. Da die Horiba-Batteriesimulation ein offenes System ist, sind freie Parametrierungen des Batteriepakets in Bezug auf Kapazität der Batteriezellen, Widerstände, Temperatur, Anzahl der verbundenen Zellen und Leerlaufspannung realisierbar. Auf diese Art können Anwender individuelle Batteriepakete zusammenstellen, die den Anforderungen der entsprechenden Antriebsart gerecht werden. In Bezug auf die Batteriezyklen bedeutet dies, dass Batteriekonfigurationen möglich sind, die flache Lade- und Entladezyklen wie beispielsweise in PHEVs realitätsnah nachbilden. Andererseits können Entwickler auch tiefere Lade- und Entladezyklen, wie sie bei EVs auftreten, umsetzen.
Leistungsstarkes Entwicklungswerkzeug
Mit dem virtuellen Batteriesystem hat Horiba somit ein wirkungsvolles Entwicklungswerkzeug zur Erstellung neuer Batteriemodelle geschaffen. Die umfangreiche Simulation ermöglicht konkrete Voraussagen über die Lebensdauer der Leistungsquelle und des Gesamtsystems bereits im Vorserienstatus. Ein weit reichendes Netz von Sicherheitsvorrichtungen reduziert außerdem Gefahren wie Kurzschlüsse- und Überlastungen der Batterie auch im Simulationsmodus.
Horiba; Telefon: 06151 5000-2498; E-Mail: stefan.germann@horiba.com
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