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26 Elektronik automot ive ElEktromobilität Fabian möller studierte Bauingenieurwe sens an der RWTH Aachen und absol vierte zum Ende seines Studiums eine parallele Ausbildung zum Schweißfach ingenieur Danach arbeitete für sechs Jahre als wissenschaftlicher Mitar beiter in Aachen auf dem Gebiet der faserverstärkten Kunststoffe und des Stahlleichtbaus bevor er 2015 zu EDAG Engineering als Projektleiter im Bereich der Struktursimulation wech selte Im Jahr 2018 übernahm er die Leitung eines Teams für Statik NVH und CFDAnalysen Er betreut die Entwicklung der Batteriesimulation für EDAG Engineering Bild 9 Zellexpanisionen Vergleich der Versuchs ergebnisse mit den Simulationsergebnissen Bild EDAG Group zu hohe Betriebstemperatur kann die Batterielebensdauer verkürzen und die Leistung beeinträchtigen Zur Beschreibung des elektrothermi schen Verhaltens wurden umfangreiche Versuchsserien durchgeführt Die ent scheidende Größe zur Beschreibung der Wärmeentwicklung einer Batteriezelle unter elektrischer Last ist der Innen widerstand Dieser ist hauptsächlich abhängig vom Ladezustand SOC State of Charge sowie von der Temperatur der Zelle Der Innenwiderstand der unter suchten Zellen wurde deshalb bei unter schiedlichen Temperaturen mithilfe von Pulsversuchen ermittelt um das Kenn feld des Innenwiderstands der jeweiligen Zellen zu ermitteln Bild 5 Die auf diese Weise gemessenen Werte werden in der Simulation als Kennfeld hinterlegt Weitere wichtige Größen für die Beschreibung des Temperaturverhal tens sind die spezifische Wärmeka pazität und die Wärmeleitfähigkeit Diese Kennwerte reichen bereits aus um ein Makromodell zu bedaten mit dem die Temperaturentstehung in Zel len aufgrund von zeitlich veränderli chen Stromflüssen hinreichend genau beschrieben werden kann Der SOC wird am Anfang der Simu lation als Anfangsbedingung ini tialisiert Die Änderung des SOC wird im Lauf der Berechnung anhand der auftretenden Stromflüsse berechnet Dabei kann die StromRandbedingung als Leistungsentnahme entweder direkt an den Kontaktierungen der Einzelzelle oder des Moduls aufgebracht werden Anhand des SOC und der Temperatur der Zelle wird während der Berechnung der richtige Innenwiderstand der Zelle berücksichtigt und die sich einstellen den Temperaturfelder berechnet Zur Validierung des Makromodells wurden unterschiedliche Versuche simuliert ➔ ➔ Entladen mit unterschiedlichen CRaten ➔ ➔ Konstantstrom Konstant spannungs CC CV Laden ➔ ➔ Entlade Ladestrom eines WLTPZyklus Die Zellen wurden mit Temperatursen soren versehen um die gewonnenen Ergebnisse abgleichen zu können Der Versuchsaufbau für zwei Zellarten und exemplarische Ergebnisplots der Simu lation sind in Bild 6 dargestellt In der exemplarischen Auswertung für unterschiedliche StromRandbe dingungen von PouchZellen in Bild 7 erkennt man die gute Übereinstimmung der Simulation mit den gemessenen Ergebnissen Die PouchZellen wiesen dabei im Versuch hohe Schwankungen auf was durch die Angabe der Spanne der Standardabweichung über den Ver suchskurven gekennzeichnet ist Eine weitere Funktionalität des digi talen Zwillings ist die Abbildung von rever siblen Zellexpansionen Breathing während des Ladens oder Entladens Für die Entwicklung dieser Methode wur den die in Bild 8 dargestellten Versuche durchgeführt Untersucht wurden Päck chen »Stacks« von Pouch und pris matischen Zellen mit unterschiedlicher Anzahl aufeinander gestapelter Zellen Spacer zwischen den Zellen gewähr leisten eine gleichmäßige Flächenpres sung der Zellen Eine konstante Kraft wurde mittels eines Hydraulikzylin ders auf die Zellpäckchen während des Versuchs ausgeübt Die Zellen wurden anschließend mit konstanter CRate ge und entladen und die Expansion des Zellstapels gemessen Anschließend bestimmt man aus den gemessenen elektrischen Größen den SOC und ver knüpft ihn mit den Messwerten Eine BreathingFunktionalität wurde im Zellzwilling abhängig vom SOC implementiert und die Simulationser gebnisse mit den Versuchsergebnissen verglichen Bild 9 zeigt die gute Über einstimmung zwischen Versuch und Simulation Eine irreversible Expan sion Swelling wird einfach über einen Startwert in der Simulation überlagert Mittels der implementierten Funktio nalität ist es möglich sowohl die Ver spannung von Zellen im Gehäuse als auch die Dicke der Compression Pads auszulegen Gerade bei Problemstel lungen bei denen Verspannungen des Zellstacks eine Rolle spielen Druck auf das Modulgehäuse Eigenfrequenzen in Simulationen von ShakerAnalysen ist die genaue Prognose der Expan sionen und die Interaktion der Zellen mit der Struktur von entscheidender Bedeutung ih