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Entwicklung von Elektrofahrzeugen mit einem Doppelbatterieansatz

Unter Berücksichtigung von Energieeffizienz, Energiedichte und Umweltaspekten kombinierte die IAV die komplementären Batterietechnologien Natrium-Ionen- und Lithium-Eisenphosphat-Festbatterie zu einem Doppelbatteriesystem, das mittels multiphysikalischer Simulation optimiert und validiert wurde und neue Möglichkeiten für Automobilhersteller und Batterieentwickler eröffnet.

Von Joseph Carew
April 2025

Ein wichtiges Ziel für diejenigen, die die Welt elektrifizieren wollen, besteht in der Vermeidung seltener Rohstoffe, die für die Herstellung herkömmlicher Batterien benötigt werden – ohne dabei Abstriche bei der Energiedichte zu machen. Lithium-Ionen-Akkus sind der gebräuchlichste Energiespeicher in heutigen Elektrofahrzeugen1, obwohl sie teuer und mit Nachhaltigkeits- und Umweltbedenken verbunden sind. Ingenieure und Entwickler in der Batterieindustrie untersuchen alternative chemische Zusammensetzungen und Designs, um neue Ansätze zu finden, die diese Aspekte berücksichtigen und die Kosten senken, während sie gleichzeitig die Anforderungen der meisten Lithium-Ionen-Anwendungen erfüllen.

Die IAV ist eines der weltweit größten Ingenieurbüros. In einem breiten Portfolio, das auf die Zukunft der Mobilität ausgerichtet ist, spielt die Entwicklung von Batterien eine entscheidende Rolle. Ein Team von IAV-Ingenieuren, darunter Jakob Hilgert, technischer Berater des Unternehmens, war überzeugt, dass IAV mit dem richtigen Ansatz bessere Batteriedesigns entwickeln könnte. Aufbauend auf dem Verständnis, was bestehende Designs mit ihren jeweiligen chemischen Zusammensetzungen erfolgreich macht - und was sie behindert -, entwickelte das Team einen neuartigen Ansatz zur Lösung von Problemen in Bezug auf Energiedichte, Haltbarkeit und Wärmemanagement: ein Doppelbatteriedesign.

Anstatt sich ausschließlich auf Lithium-Ionen-Zellen zu konzentrieren, haben die IAV-Ingenieure zwei alternative Batteriechemien miteinander kombiniert, um ein kostengünstigeres und umweltfreundlicheres System für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Ausgehend von diesem Ansatz wandte sich die IAV der multiphysikalischen Simulation zu, um ihre Doppelbatterielösung erfolgreich zu entwickeln und zu validieren.

Vermeidung typischer Probleme

Lithium-Ionen-Batterien (Abbildung 1) werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte häufig eingesetzt², doch ihre Herstellung kann mit Umweltnachteilen verbunden sein. Der Abbau von Lithium im Tagebau zerstört die Vegetation, hinterlässt giftige Böden und erzeugt Staub, der das Krankheitsrisiko für Tiere und Menschen erhöht³. Die Herstellung dieser Batterien ist zudem teuer¹ und von einem relativ seltenen Material abhängig. Die Ingenieure der IAV wollten diese Probleme bei der Auswahl der Technologien für ihr Doppelbatteriekonzept vermeiden.

„Wir müssen uns auf Batterien einstellen, bei denen Recycling und Ressourcen eine größere Rolle spielen“, sagt Hilgert. “Wir können nicht einfach nur die Zelle mit der theoretisch höchsten Energiedichte als unsere Dauerlösung betrachten.“

Stattdessen entschied sich das Team der IAV für eine Kombination aus einer Natrium-Ionen-Batterie (SIB) und einer Lithium-Eisenphosphat-Solid-State-Batterie (LFP-SSB), da sich die beiden in ihren Eigenschaften vorteilhaft ergänzen. SIBs (Natrium-Ionen-Batterien) gelten als kostengünstiger, ressourcenschonender und besser recycelbar als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Im Gegenzug haben sie meist eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer. LFP-Batterien (Lithium-Eisenphosphat) zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und lange Lebensdauer aus. Ihre Energiedichte ist allerdings geringer als die konventioneller Lithium-Ionen-Zellen. In der Solid-State-Variante (LFP-SSB) lässt sich die Energiedichte hingegen steigern. Durch die Kombination einer SIB mit einer LFP-SSB lassen sich diese unterschiedlichen Eigenschaften gezielt miteinander verbinden – mit dem Ziel, die Umweltbilanz zu verbessern (Abbildung 2), die Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig eine hohe Energiedichte für anspruchsvolle Anwendungen zu erreichen.

„Die Entwicklung von Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen schreitet rasch voran. Damit einher geht eine steigende Nachfrage nach knappen Rohstoffen“, so Hilgert. „Die Diversifizierung der Zellchemie ist ein vielversprechender Ansatz, um auf Marktschwankungen zu reagieren und gleichzeitig die Systemkosten zu minimieren.“

Gewährleistung der thermischen Kompatibilität

Das Doppelbatteriedesign der IAV wurde unter anderem auch entwickelt, um die thermische Kompatibilität zwischen einer SIB und einer LFP-SSB zu testen. Die Idee bestand darin, die Abwärme der SIB in die LFP-SSB zu leiten, um deren Zellen schnell zu aktivieren und sie in die höheren Temperaturbereiche zu bringen, in denen sie am besten funktionieren5 – während gleichzeitig verhindert wird, dass die SIB ihre maximale Betriebstemperatur überschreitet – was die Gesamtenergieeffizienz des Systems erhöht.

„Wenn einige Zellen hohe Temperaturen vertragen und andere niedrige, lässt sich die Abwärme der heißen Zellen nutzen, um die kühleren zu erwärmen – und umgekehrt“, sagt Hilgert. “Deshalb haben wir ein Kühlsystem entwickelt, das die Energie von Zellen, die kühler sein wollen, auf Zellen überträgt, es wärmer mögen.“

Zellen mit flüssigem Elektrolyten haben eine begrenzte thermische Stabilität und müssen gekühlt werden (dies gilt sowohl für Natrium- als auch für Lithiumzellen), um Temperaturen über ~60°C zu vermeiden. Festkörperzellen können aufgrund ihres festen Elektrolyten bei höheren Temperaturen betrieben werden, und benötigen eine höhere Temperatur, um eine nutzbare Ionenleitfähigkeit zu erreichen. Daher müssen die SIB-Zellen in diesem Konzept gekühlt werden, während die SSB-Zellen geheizt werden müssen, wobei beide Zellen vom gegenseitigen Wärmeaustausch profitieren. Die IAV-Ingenieure wussten, dass insbesondere diese Wechselwirkung eine große Herausforderung für die Optimierung darstellen würde, und waren überzeugt, dass Modellierung und Simulation eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung dieser Komplexität spielen würden. Zu diesem Zweck setzte das Team die Software COMSOL Multiphysics^® ein.

Entwicklung des Batteriesystems

Die IAV begann vor mehr als einem Jahrzehnt mit der Nutzung von COMSOL Multiphysics^®, um ihren Design-Workflow zu verbessern.

„Wir haben eine Vielzahl spezialisierter Werkzeuge für unterschiedliche Fachgebiete verwendet“, sagte Hilgert. „Als wir begannen, mit Batterien zu arbeiten, war es an der Zeit zu sagen: ‚Wir brauchen ein einziges Werkzeug, das all diese Themen abdeckt.‘“

Der umfassende Workspace der Plattform ermöglicht es der IAV, unnötige Prototypen für Kunden zu vermeiden und ihre Designs einfach zu optimieren. Mit dem Doppelbatteriemodell können die IAV-Ingenieure verschiedene Parameter anpassen (z. B. die Auswirkungen auf die Kühlung bestimmter Schaltkreise oder auf die maximale Leistung die Zellen bei einer bestimmten Temperatur) und das Design so ändern, dass jede reale Implementierung so effizient wie möglich ist. „Wenn man dieses Wissen hat und nicht alle diese Parameter erraten muss, ist der technologische Reifegrad des Prototyps viel höher“, so Hilgert.

Aufgrund der multiphysikalischen Natur der Batteriemodellierung waren die Fähigkeiten der COMSOL® Software für das Entwicklungsprojekt des Doppelbatteriesystems (Abbildung 3) gut geeignet: Die Entwicklung funktionsfähiger Batterien erfordert ein adäquates Thermomanagement, ein Verständnis, wie die Materialien der verschiedenen Zellen innerhalb ihrer Module funktionieren werden, Kenntnisse über die verschiedenen Drücke innerhalb der internen Prozesse in der Batterie sowie ein elektrochemisches Verständnis des Ganzen. Außerdem muss verstanden werden, wie sich das Quellen und Schrumpfen während des Ladens und Entladens auf die Mechanik dieser Systeme auswirken kann.

„Ein hochintegrierter modellbasierter Entwicklungsprozess kann genutzt werden, um das Potenzial verschiedener Zellchemien, Designs und Kühlkonzepte zu untersuchen“, sagt Hilgert. „Er reduziert den Bedarf an physischen Prototypen und ermöglicht eine Leistungsoptimierung im Hinblick auf die typischen Anforderungen von Automobilanwendungen.“

Heizen, Kühlen und Designoptimierung

Die IAV- Ingenieure konnten die Leistung des Doppelbatteriekonzepts mithilfe einer gekoppelten Multiskalen- und Multidomain-Simulation verifizieren (Abbildung 4). Das Team stellte fest, dass das Design während der Konzeptentwicklung wie gewünscht funktionierte und den Weg für ein verbessertes Batteriedesign ebnete. Das Modell zeigte eine sehr schnelle Aktivierung von Solid-State-Zellen bei Bedarf mit einer teilweise Vorkonditionierung durch die Abwärme der SIB. Das Team optimierte das Thermomanagement der beiden Zellen und reduzierte die Zeit und die Energie, die für die SSB-Aktivierung bei Kälte benötigt wird.

„Die Simulationen haben gezeigt, dass es tatsächlich möglich ist, das zu tun, was wir uns vorgestellt haben“, sagt Hilgert. „Die Abwärme kann tatsächlich durch das Kühlsystem transportiert werden, und die Wärmemenge reicht aus, um den anderen Teil der Batterie zu erwärmen.“

Mit ihrem Modell, das als virtueller Prototyp fungierte, war die IAV in der Lage, verschiedene Szenarien durchzuspielen und dabei unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber verschiedenen Umgebungsbedingungen oder Parameterwahlen zu vergleichen. Dem Team gelang es, die 3D-Zelltemperaturverteilung, die elektrochemische P2D-Modellierung und die 1D-Kühlkreisdynamik in ein Gesamtmodell des elektrischen Antriebsstrangs zu integrieren.

Demokratisierung des Doppelbatteriemodells mit Apps

Sobald die Simulationsspezialisten der IAV ein White-Box-Modell für einen Kunden entwickelt haben, verwenden sie häufig den Application Builder in COMSOL Multiphysics, um die Funktionalität zusätzlich in eine Simulations-App zu verpacken - eine benutzerdefinierte, konfigurierte Benutzeroberfläche mit begrenzten Ein- und Ausgaben, die der Kunde intern an Kollegen in verschiedenen Bereichen verteilen kann, die damit selbst Simulationen durchzuführen und die Ergebnisse in ihrem jeweiligen Kontext auswerten. Die Benutzer der App benötigen keine detaillierten Kenntnisse des zugrunde liegenden komplexen Modells. Stattdessen sind die Simulations-Apps so konzipiert, dass sie einfach zu bedienen und robust sind, was sie ideal für die vielen Kunden der IAV macht, die „diese Simulationsaufgaben an Personen verteilen wollen, die normalerweise keine Modellierung durchführen“, wie Hilgert es ausdrückt.

„Wir können mit der Grundfunktionalität beginnen und sie an alle verteilen, und niemand wird Probleme damit haben, sie zu nutzen. Später, wenn die Dinge detaillierter werden, können wir die Apps mit der Anwendung wachsen lassen und mehr Physik, mehr Optionen, mehr Schaltflächen hinzufügen“, so Hilgert.

Die IAV-Ingenieure verwenden COMSOL Compiler™, um ihre Simulations-Apps in eigenständige ausführbare Dateien umzuwandeln, die sie zusammen mit den White-Box-Versionen der zugrunde liegenden Modelle an ihre Kunden senden. Diese können sie dann ohne COMSOL-Lizenz ausführen (Abbildung 5). Dadurch wird der Einsatz von Simulationen in verschiedenen Entwicklungsumgebungen erleichtert. Im Fall des Doppelbatteriedesigns können Kühlsystemingenieure parallele Optimierungsberechnungen ohne COMSOL-Lizenzen durchführen. Der optimierte Zugriff auf Simulationsergebnisse führt zu effizienteren Entwicklungsprozessen und hat die Akzeptanz der modellbasierten Entwicklung sowohl intern als auch bei den Kunden der IAV erheblich verbessert.

„COMSOL Compiler als Verteilungsoption zu haben, ist ein großer Vorteil für unsere Arbeit“, sagt Hilgert. „Wir können unsere eigenen Modelle für Simulations- oder Profilerstellungstests verwenden, indem wir sie zu Apps kompilieren und dann andere Leute ihre Arbeit machen lassen, ohne auf Lizenzen warten zu müssen.“

Die Fernsteuerung der von der IAV entwickelten Apps erfolgt über Java-Code, der über die API der COMSOL Software bereitgestellt wird. Mit dieser Fernsteuerung können Nutzer sich wiederholende Modellierungsschritte automatisieren. Das Team implementiert auch Functional-Mock-up-Unit-Interfaces (FMU), die es mit Fahrzeugsimulationsumgebungen in Drittanbietersoftware für die Co-Simulation koppelt.

Nutzer der Doppelbatterie-App erhalten die Spannung, den Ladezustand, die Temperaturen und die Verlustleistung als Eingaben für das Batteriemanagementsystem und das Kühlsystem. Konstrukteure können die internen Zellzustände über diese Apps einsehen und Änderungen am Kühlsystem vornehmen, während sie die unterschiedliche Batterieleistung bewerten.

Interne Nutzung der Apps

IAV-interne Apps sind häufig für die Co-Simulation mit COMSOL Multiphysics^® und externen Toolchains ausgelegt und werden über die IAV Virtual Test Bed Schnittstelle gesteuert. Abbildung 6 zeigt eine Beispiel-App für Batteriemodule, die für die Co-Simulation verwendet wird und dem Anwender grundlegende Feedback-Informationen über die internen Zustände der Modelle wie Strom, Spannung, Temperaturen etc. liefert. Die Ergebnisse der App werden als Echtzeit-Datenstrom an andere Programme im Co-Simulations-Framework weitergeleitet, wo eine detaillierte Auswertung der Ergebnisse erfolgt.

Zwei gewinnt – der Weg zur besseren Batterie

IAV sieht in ihrem Doppelbatteriekonzept ein mögliches Vorbild dafür, wie sich selbst gegensätzliche Anforderungen in der Batterietechnologie durch clevere Kombinationen erfüllen lassen.

„Der Doppelbatterieansatz bietet Automobilherstellern und Batterieentwicklern mehr Möglichkeiten zur Problemlösung“, sagt Hilgert. „Er zeigt auch, dass es möglich ist, Zukunftstechnologien mit ganz unterschiedlichen Prinzipien in bestehende Rahmenbedingungen zu integrieren.“

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