Model Order Reduction zur gezielten Analyse von Einflussparametern auf den Thermal Runaway und seine Propagation
Die EU-Kommission fordert in ihrem neuen Klimaplan “Fit for 55“ den Ausstoß von Kohlendioxid bis 2030 um mindestens 55 Prozent im Vergleich zu 1990 zu reduzieren. Kostensenkung, Reichweitenerhöhung, und Schnelladefähigkeit, alles auf höchstem Sicherheitsniveau, sind nötig, um die Akzeptanz der Elektrofahrzeuge und damit den Anteil von Elektromobilität weiter zu verbessern.
Insbesondere die Reichweitenerhöhung führt zu einem erhöhten Risiko eines Thermal Runaway (TR) und einer Thermal Runaway Propagation (TR-P) im Batteriepack, da sie mit einer Erhöhung der Energiedichte bei den Zellen und der Gesamtbatterie einhergeht. Durch die ständige Erhöhung der Energiedichten der Zellen muss mit jeder neuen Zellgenration und jedem neuen Batteriedesign auch die Sicherheit neu bewertet werden. Diese ständige Neubewertung der Sicherheit von batterieelektrischen Fahrzeugen stellt Fahrzeughersteller, Systemlieferenten und Zulieferer vor große Zeit- und Kostenprobleme.
Aktuelle high-fidelity Simulationsmodelle sind für eine umfangreiche Analyse von Einflussfaktoren auf die TR-P, trotz moderner Rechnerinfrastruktur und durch die langen Rechenzeiten, im Entwicklungsprozess von Batteriesystemen nicht anwendbar.
Hauptziel von MORE+ ist die Realisierung umfangreicher Einflussparameterstudien auf Pack-Ebene. Dadurch können noch bessere und neuartige innovative TR-P Sicherheitskonzepte entwickelt werden. Dafür wird ein reduziertes kombiniertes multi-physikalisches Batteriemodell mittels geeigneter Kopplung aus den zu reduzierenden Einzelmodellen, TR, Crash, Thermal Management und Normalbetrieb aufgebaut.
Daraus werden folgende Unterziele abgeleitet:
- Entwicklung einer Methodik zur Optimierung von Batteriepacks hinsichtlich der Verhinderung von TR und TR-P mit einem reduzierten kombinierten multi-physikalischen Batteriemodell
- Aus einer Fiber Bragg Messung für den Fehlerfall (Temperatur und Kräfte) werden wichtige Erkenntnisse für eine potenzielle Früherkennung von TR und TR-P abgeleitet
- Innovative Testmethoden für den Fehlerfall liefern wichtige Erkenntnisse für die Modellbedatung und dienen als Basis für mögliche Testrichtlinien für Sicherheitstests und Kalibrierversuche
Das Projekt MORE+ liefert einen wichtigen Erkenntnisgewinn hinsichtlich Einflussparameter auf die TR-P, wie er mit den derzeitigen Modellen noch nicht möglich ist. Durch die reduzierten Modelle ergibt sich ein zukünftig großes Potential zur Verringerung von Entwicklungszeit und -kosten. Ein Thermal Runaway (TR) Test mit einer Prototypenbatterie verursacht Kosten in der Höhe von rund 100 000 € (Durchführung 45 000 € und Prototypenbatterie 55 000 €) und eine neue kleine Sicherheitsvorkehrung, wie zusätzliches Isolationsfolie rund 90 000 € für eine Stückzahl von 100 000. Hier ist großes Einsparungspotential durch die Substitution von physischen Tests durch Simulation und eine effektive Bewertungsmethode gegeben.
Mit der Möglichkeit umfangreiche Einflussanalysen auch im Entwicklungsprozess durchführen zu können, wird die gesamtheitliche Betrachtung von Sicherheitskonzepten im virtuellen Entwicklungsprozess wesentlich ausgeweitet und gestärkt. MORE+ liefert also ein Beitrag für eine zukünftig noch sicherere und von der Gesellschaft akzeptierte Elektromobilität.
