Definition von Lastzyklen in Akku-Modellen: Teil 2

Ob bei der Modellierung von Referenzleistungstests, benutzerdefinierten Zyklus-Szenarien oder dem realen Betrieb – die Definition des entsprechenden Lastprofils ist ein wichtiger Schritt bei der Modellierung von Akkus. In Teil 1 dieser zweiteiligen Blogreihe haben wir verschiedene Ansätze zur Definition von Lastzyklen untersucht. Mit Version 6.4 wurde eine neue Funktion eingeführt, die diesen Prozess erheblich vereinfacht. Werfen wir einen genaueren Blick auf die Funktion Load Cycle, ein einfaches und robustes Werkzeug zur Definition selbst hochkomplexer Zyklus-Szenarien.

Dies ist der zweite Blog-Beitrag einer zweiteiligen Reihe zum Thema Definition von Lastzyklen in Akku-Modellen. Lesen Sie Teil 1 hier.

Einführung

Szenarien für den Akkubetrieb können komplexe, mehrstufige Protokolle umfassen und sind nicht immer so einfach wie die Anwendung eines konstanten Stroms zum Laden und Entladen mit einer Umschaltung auf Basis einer Spannungsgrenze. In der Praxis können Akkus unter Strom-, Spannungs- oder Leistungsregelung oder einer Kombination aus allen dreien betrieben werden, die entweder durch konstante oder variable Eingaben oder durch tabellarische Daten vorgegeben werden. Übergänge zwischen den Betriebsmodi können durch einfache Zeitbedingungen oder durch individuellere, benutzerdefinierte Kriterien gesteuert werden, die auf einer Vielzahl von Leistungsdaten basieren. Darüber hinaus können Lastprofile aus einfachen, sich wiederholenden Sequenzen bestehen oder verschachtelte Schleifen innerhalb eines umfassenderen Protokolls enthalten.

Die Festlegung von Lastprofilen ist entscheidend für die genaue Modellierung der Leistung von Batteriesystemen unter realen Bedingungen.

Bei der Einbindung dieser Profile in ein Akku-Modell ist es ebenso wichtig, deren numerische Auswirkungen zu berücksichtigen, die über die bloße Definition und Anpassung hinausgehen. Abrupte Änderungen und komplexe Umschaltbedingungen im Lastprofil können während der Simulation zu Problemen mit der numerischen Stabilität führen. Wie in Teil 1 erläutert, ist die Verwendung eines ereignisbasierten Profils – entweder direkt über das Interface Events oder über das vordefinierte Feature Charge–Discharge Cycling – häufig der beste Ansatz für das Verhalten des Lösers bei plötzlichen Übergängen. Das Feature Charge–Discharge Cycling ist jedoch auf Konstantstrom-Konstantspannungs-Profile (CCCV) mit oder ohne Ruhephasen beschränkt, bei denen die Umschaltung auf der Grundlage von Strom- und Spannungsschwellenwerten erfolgt. Zwar schränkt das Interface Events die Arten der definierbaren Zyklus-Szenarien nicht ein, doch erfordert die Umsetzung von Lastprofilen mit diesem Interface ein gewisses Maß an Fachwissen und kann bei komplexeren Zyklusfällen aufwendig werden. Um dieses Problem zu lösen, wurde in Version 6.4 das Feature Load Cycle eingeführt, eine ereignisbasierte Funktionalität, die den Prozess vereinfachen soll. Es ist sowohl flexibel als auch umfassend und ermöglicht es Anwendern, eine breite Palette von Zyklus-Szenarien zu definieren und dabei die numerische Robustheit zu erhalten.

Der Knoten Load Cycle im Modellbaum

Wo Sie den Modellbaumknoten Load Cycle finden, hängt von dem im Modell verwendeten Physik-Interface ab. In detaillierten Akku-Modellen, wie beispielsweise den im folgenden Screenshot gezeigten Interfaces Lithium-Ion Battery und Battery with Binary Electrolyte sowie den Interfaces Current Distribution, steht der Knoten Load Cycle als Randbedingung zur Verfügung. Da in solchen Modellen die Elektroden explizit dargestellt werden, ist die negative Seite geerdet, und das Lastprofil wird der positiven Seite zugewiesen, um die Betriebsbedingungen widerzuspiegeln. In Fällen, in denen innerhalb dieser Interfaces die Knoten Electrode Surface, Thin Porous Electrode, Perforated Electrode Surface oder Highly Conductive Porous Electrode vorhanden sind, wurde Load Cycle als Option in das Dropdown-Menü Electrode Phase Potential dieser Knoten aufgenommen. Bei vereinfachten Modellen ist Load Cycle als Operation Mode im Interface Lumped Battery sowie als Randbedingung für Stromleiter im Interface Battery Pack enthalten.

Das Feature Load Cycle finden Sie als Randbedingung, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Interfaces Lithium-Ion Battery und Battery with Binary Electrolyte klicken oder es aus dem Menü auswählen.

Was das Feature Load Cycle bietet

Im Fenster Load Cycle Settings kann der Lasttyp ausgewählt werden. Im Abschnitt Load Type können Sie zwischen Galvanostatic, Potentiostatic oder einer Kombination aus beiden wählen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Auswahl von „galvanostatisch“ oder „potentiostatisch“ beschränkt die verfügbaren Betriebsmodi auf Current und C-rate bzw. auf Voltage, zusammen mit den untergeordneten Knoten Rest und Subloop. Die Wahl der kombinierten Option Potentiostatic and galvanostatic ermöglicht den Zugriff auf alle Modi, einschließlich der Leistung.

Übergänge zwischen hinzugefügten Betriebsmodi können auf verschiedenen Kriterien basieren, darunter die verstrichene Zeit, Grenzwerte (wie Spannung oder Strom) oder beliebige benutzerdefinierte Ausdrücke. Wenn auf der obersten Ebene die Option Use elapsed time only ausgewählt ist, sind Übergänge auf eine (explizite) Umschaltung auf Basis der verstrichenen Zeit beschränkt. Andernfalls stehen Ihnen zusätzliche Optionen zur Steuerung der Übergänge zwischen den Modi zur Verfügung.

Das Fenster Load Cycle Settings enthält Optionen zum Beenden des Lastzyklus, wie beispielsweise Grenzwerte basierend auf der Gesamtzykluszeit, der Anzahl der Zyklen, Spannungsschwellenwerten oder benutzerdefinierten Kriterien. Diese integrierte Funktion ermöglicht es Ihnen, das Ende des Zyklus festzulegen, ohne Variablen manuell eingeben oder Stoppbedingungen in der Löserkonfiguration hinzufügen zu müssen. Diese Bedingungen können über das Dropdown-Menü Cycling Stop Condition im Fenster Load Cycle Settings ausgewählt werden.

Über die Einstellungen können Benutzer zudem integrierte globale Sonden aktivieren, die Spannung und Strom automatisch überwachen. Die Verwendung von Sonden im Modell bietet unabhängig von der jeweiligen Physik eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise die Möglichkeit, Ergebnisse anzuzeigen, ohne den Abschluss der Simulation abwarten zu müssen, Sondenvariablen (die global sind) im Ergebnisbereich zu verwenden oder Ausdrücke innerhalb des Modells zu definieren. Insbesondere bei der Modellierung von Batterien wird die Überwachung von Spannung und Strom während der Simulation dringend empfohlen, da dies zum Verständnis des Verhaltens des Akkus unter Lastzyklen beiträgt und die Fehlersuche erleichtert.

Das Fenster Load Cycle Settings zeigt die Auswahl der Ladeart, die Option, die Fortsetzungsmethode ausschließlich auf die verstrichene Zeit zu beschränken, sowie Einstellungen für die Bedingungen zum Beenden des Lastzyklus und für Spannungs- und Strommessungen an.

Verwendung des Features Load Cycle

Jedes Lastprofil lässt sich definieren, indem Sie dessen Schritte, die Eigenschaften der einzelnen Schritte, die Übergänge zwischen diesen sowie die Bedingungen für den Abbruch der Zyklusfolge festlegen. Nachdem der Knoten Load Cycle zum Interface Lithium-Ion Battery (oder zu einem beliebigen Elektrochemie-Interface) hinzugefügt und der Lasttyp im Fenster Load Cycle Settings festgelegt wurde, beginnt die Erstellung des Lastprofils mit dem sequenziellen Hinzufügen der Profilschritte: Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Knoten und fügen Sie den entsprechenden Schritt hinzu. Sobald die Schritte hinzugefügt und wie gewünscht angeordnet wurden, kann jeder Schritt angepasst werden, indem ein konstanter Wert angewendet oder eine Funktion zugewiesen wird, um die Eigenschaften dieses Schritts abzubilden. Die Art der Eingabe für jeden Schritt kann im entsprechenden Einstellungsfenster über ein Dropdown-Menü ausgewählt werden, wobei Optionen für Wert, Funktion oder Schrittsequenz zur Definition der Eingabewerte zur Verfügung stehen. Auf jeden Schritt des Lastzyklus folgt der nächste, sobald die über Continuation Condition definierte Umschaltbedingung erfüllt ist und mithilfe von Löserereignissen durchgesetzt wird.

Obwohl die Verwendung von Funktionen zur Definition des Lastprofils bereits in Teil 1 erörtert wurde, verbessert deren Einbindung in dieses ereignisbasierte Framework die numerische Stabilität, wenn die Last auf das Modell angewendet wird, da keine Funktionsglättung erforderlich ist. Alternativ können Sie eine Schrittfolge verwenden, die es ermöglicht, eine Tabelle mit Zeitpunkten, zu denen der Sollwert aktualisiert wird, zu importieren oder lokal zu definieren. Diese Option ist besonders nützlich, wenn Sie ein benutzerdefiniertes Lastprofil, wie beispielsweise einen Fahrzyklus, aus einer Textdatei in COMSOL^® importieren. Die folgenden Screenshots zeigen zwei verschiedene Beispiele für Lastprofile, die jeweils mit unterschiedlichen Schritten und Eingaben erstellt wurden.

Ein 1C-Konstantstrom-Lade- und EntLastprofil mit bekannten Dauerwerten, das eine Ruhephase zwischen den einzelnen Schritten sowie einen abschließenden Ruheabschnitt umfasst, wird mithilfe des Features Load Cycle definiert.

Ein Fahrzyklus, der auf einer Tabelle mit Zeit- und C-Rate-Werten basiert, wird definiert, indem als Eingabe-Typ für C-Rate die Option “Step sequence” ausgewählt wird.

Um Szenarien abzudecken, die eine verschachtelte Schleife innerhalb einer Hauptsequenz erfordern, kann der untergeordnete Knoten Subloop hinzugefügt werden. Dieses Feature ist nur verfügbar, wenn in den Einstellungen unter Load Cycle die Option Use elapsed time only nicht ausgewählt wurde. Der Subloop enthält – ähnlich wie die Hauptsequenz – eigene Knoten für verschiedene Betriebsmodi, die eine Schleife innerhalb des Gesamtprotokolls darstellen. Der Subloop durchläuft diese Modi nacheinander, wobei seine Dauer durch eine ausgewählte Abbruchbedingung gesteuert wird. Diese Bedingung kann auf der verstrichenen Zeit, der Anzahl der Zyklen oder einem benutzerdefinierten Kriterium basieren. Sobald die Bedingung erfüllt ist, kehrt die Simulation zur Hauptsequenz zurück oder fährt – falls die Unterschleife der letzte Schritt ist – mit dem ersten Knoten unter dem Knoten Load Cycle fort. Der folgende Screenshot zeigt ein einfaches Profil mit einem Subloop. Ein solches Profil lässt sich leicht um mehrere Subloops mit völlig unterschiedlichen Betriebsmodi und Abbruchkriterien erweitern.

Das Feature Subloop definiert ein Profil, das aus zwei Zyklen von Lade- und Entladeimpulsen besteht, auf die ein Ladeimpuls und eine Ruhephase folgen.

Fazit

Obwohl alle in Teil 1 behandelten Methoden zur Definition von Lastzyklen weiterhin gültig sind, bietet das in Version 6.4 eingeführte Feature Load Cycle einen einfacheren und numerisch robusteren Ansatz, der auch komplexe, benutzerdefinierte Profile unterstützt. Die wichtigsten Aspekte dieser Funktionalität wurden in diesem Blog behandelt, und Anwender können sie nun in ihren Batteriesimulationen nutzen. Die meisten Beispiele in der Application Library wurden aktualisiert, um dieses Feature einzubeziehen, und dienen als Demonstrationen verschiedener Szenarien, die damit umgesetzt wurden.