Mit Simulationen lassen sich schon in einer frühen Entwicklungsphase verschiedene physikalische und elektrochemische Prozesse beschreiben, analysieren und optimieren, die für die Elektromobilität ein großes Potenzial darstellen. Ansys hat sich bei der Entwicklung seiner Software auf die Anforderungen der Elektromobilität eingestellt. Als Ansys Competence Center FEM besitzt Cadfem nicht nur einen detaillierten Überblick über die verschiedenen Lösungen, sondern auch das Know-how, sie effizient einzusetzen und Unternehmen gezielt und fundiert zu unterstützen.

Mit Hilfe der ganzheitlichen Ansätze lassen sich umfassende Simulationen durchführen, bei denen die physikalischen Phänomene und deren Abhängigkeiten untereinander analysiert werden können. So kann auch das Zusammenspiel aller Komponenten eines Elektroautos abgebildet und sowohl bezogen auf die Einzelteile als auch auf das Gesamtsystem optimal gestaltet werden.

Thermische Abhängigkeiten

Besonders wichtig sind die elektrochemischen Vorgänge auf der Zellebene einer Batterie und die entsprechenden thermischen Abhängigkeiten der Prozessparameter. Auch diese lassen sich simulieren und analysieren, mit dem Ziel, eine Zellstruktur zu finden, mit der die Zuverlässigkeit des elektrochemischen Prozesses innerhalb eines geregelten Systems gewährleistet werden kann. Die maximale Energiedichte, die Ladekapazität und -geschwindigkeit sowie die Robustheit des Prozesses der Lade-Entlade-Zyklen spielen hier eine ausschlaggebende Rolle. Die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Batterie sind ebenso wie die Leistung und die Lebensdauer besonders durch das Temperaturverhalten bestimmt.

Temperatur- und Strömungsmodelle

Bei der Untersuchung des Temperaturverhaltens der Batterie werden ergänzend zu umfangreichen Strömungsanalysen (Computational Fluid Dynamics; CFD) sowohl MOR- (Model Order Reduction) als auch LTI-Konzepte (Linear Time Invariant) für beschleunigte thermische Untersuchungen verwendet. Dadurch lassen sich kompakte Temperatur- und Strömungsmodelle der Batteriezellen erzeugen, die unmittelbar in die Systemsimulation mit der Ansys-Software „Simplorer" integrierbar sind. Die Herausforderung bei der Festlegung des Zellverbundes liegt darin, mit Hilfe der Systemsimulation eine geeignete Anordnung und Verknüpfung der einzelnen Zellen zu finden, um eine möglichst hohe Lebensdauer in einem vorgegebenen thermischen Betriebsbereich zu erzielen. Eine aus detaillierten FEM-Modellen abgeleitete Systembeschreibung mit integrierten ordnungsreduzierten Modellen (MOR) ist aufgrund ihrer Abbildungstreue und Geschwindigkeit besonders gut einsetzbar.

Elektrischer Antrieb und Leistungselektronik

In eine solche Systemsimulation lassen sich auch weitere Komponenten des elektrischen Antriebes einbinden. Dazu gehören sowohl die Elektromotoren als auch die Leistungselektronik, die Regelung und die mechanischen Übertragungsglieder, die bezüglich ihres Wirkungsgrads untersucht werden. Folglich lassen sich mit Hilfe der Systemsimulation sowohl Elektro- als auch Hybridfahrzeuge umfassend abbilden. Für eine realitätsnahe Analyse müssen die Stellsignale für den Antrieb, die während der Simulation benutzt werden, jeweils den praktischen Erfordernissen entsprechen. Grundsätzlich gilt, dass zur Verbesserung des Fahrverhaltens von Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen alle verwendeten Komponenten in Richtung einer intelligenten Verbrauchsreduzierung optimiert werden müssen. Nur das detaillierte Wissen über die einzelnen Komponenten und die Integration in eine umfassende Systemsimulation führen zu einer realitätsnahen Prognose des Verbrauchs und ermöglichen eine adaptive Steuerung des Fahrverhaltens.

Um die Randbedingungen wie etwa den Energieverbrauch für die E-Mobilität möglichst effizient zu gestalten, sind umfassende Leichtbaukonzepte zur Reduzierung des Gesamtgewichts beziehungsweise zur Kompensierung des Mehrgewichts der Batterie eine vielversprechende Alternative zu den traditionellen Karosserieaufbauten. Hier spielen Verbundwerkstoffe eine immer größere Rolle. Mit der in „Ansys Workbench" integrierten Simulationslösung „Composite Prep-Post" können geschichtete, langfaserverstärkte Verbundwerkstoffe analysiert werden. Neben Werkzeugen zur Vordimensionierung bietet dieses Simulationspaket völlig neue Technologien für ein effizientes prozessorientiertes Pre- und Postprocessing sowie fortschrittliche Versagensanalysen realer Baugruppen. Große Modelle mit einer Vielzahl von Schichtlagen lassen sich einfach und schnell definieren und auswerten. Die enge Anbindung an gängige CAD-Systeme sowie an die Composites-spezifische Software 2Fiber-SIM" von Vistagy ist ebenfalls von entscheidendem Vorteil.

Induktives Laden an Elektro-Tankstellen

Zur Optimierung von Elektro-Tankstellen steht bei neuen Konzepten mit einer kontaktlosen Energieübertragung, beispielsweise durch induktive Ladung, eine hohe Effizienz und große Störsicherheit im Fokus des Interesses. In diesem Zusammenhang wird auch nach Lösungen für eine effiziente Ladung während der Fahrt gesucht. Bei den klassischen kabelgebundenen Lademöglichkeiten müssen mit Hilfe der Simulation die entsprechenden Steckverbindungen definiert und ausgelegt werden. Dabei sind neben der Durchschlagsicherheit und Robustheit der Steckverbindungen auch die EMV-Aspekte (elektromagnetische Verträglichkeit) zu berücksichtigen.

Für ein langfristig erfolgreiches E-Mobilitätskonzept ist außerdem ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) erforderlich. Dazu sollte über ein dezentrales vernetztes Energiemanagement eine sinnvolle Erzeugung, Speicherung und Verteilung der Elektroenergie abgesichert werden. Nur durch die Simulation des gesamten Versorgungssystems unter Berücksichtigung unterschiedlicher Detailgrade der einzelnen Komponenten lässt sich die Zuverlässigkeit und Effizienz eines solchen Smart Grid realisieren.

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Der Beitrag stammt von der Cadfem GmbH, Grafing bei München