Optimierter Hochvoltbatterieentwurf hinsichtlich mechanischer, thermischer und elektrischer Randbedingungen unter Berücksichtigung der Produktionskosten

Frank, Felix GND

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen ist ein wichtiger Baustein für die Senkung steigender Treibhausgasemissionen. Neben der Reduzierung des CO2-Ausstoßes bei konventionellen Fahrzeugen durch die Hybridisierung, besteht durch die Elektrifizierung die Möglichkeit der vollständigen Eliminierung des Treibhausgasausstoßes von Elektrofahrzeugen im Betrieb. Einen der wichtigsten Bestandteile für die Elektrifizierung von Fahrzeugen stellt der verwendete Energiespeicher dar.
In den meisten Fällen kommt hierfür eine Batterie zum Einsatz. Die Batterie stellt die Energie für die Fortbewegung zur Verfügung. Dabei besitzt sie allerdings ein hohes Gewicht, benötigt viel Platz im Fahrzeug und ist zudem sehr teuer. Aus diesem Grund kommt der Auslegung der Batterie eine sehr wichtige Rolle bei der erfolgreichen Umstellung des Verkehrssektors auf Elektromobilität zu. An die Batterie werden dabei vielfältige Anforderungen gestellt, welche sich teilweise widersprechen (sie soll günstig sein, aber viel Energieinhalt und eine lange Lebensdauer besitzen). Um diese fahrzeugspezifischen Anforderungen zu erfüllen, stehen bei der Batterieauslegung Stellhebel aus technischen und wirtschaftlichen Bereichen zur Verfügung. Batterien in Elektrofahrzeugen sind dadurch grundsätzlich Spezialanfertigungen, für jedes Fahrzeug.
Im ingenieurwissenschaftlichen Bereich werden für Problemstellungen mit vielfältigen Lösungsmöglichkeiten und Wirkzusammenhängen erfolgreich Modelle eingesetzt, die physikalische Zusammenhänge abbilden und es so zulassen, den bestehenden Lösungsraum ausgiebig zu analysieren. Zusätzlich ermöglicht der Einsatz von Modellen die Betrachtung von Auswirkungen bei sich ändernden Bedingungen: Was passiert, wenn für die Batterie andere Batteriezellen eingesetzt werden, oder sich die Nutzungsbedingungen des Fahrzeugs ändern? Wird die Batterie billiger? Wird sie kleiner? Sind größere Reichweiten möglich? An dieser Stelle setzt die vorliegende Forschungsarbeit an. Hierfür wird zunächst eine geeignete Vorgehensweise ermittelt, um eine modellbasierte Batterieauslegung vorzunehmen.
Dafür wird festgestellt welche Zusammenhänge des Batterieentwurfs durch Modelle abgebildet werden müssen. Elektrisches und thermisches Verhalten bilden die Leistungsfähigkeit der Batterie ab. Die mechanische Integration bestimmt ihre Gestalt und die Entwicklung und Herstellung der Batterie definiert den Batteriepreis. Für alle diese Bereiche werden geeignete Modelle vorgestellt oder entwickelt und in einem Gesamtsystem zusammengebracht.
Damit können Anforderungen an die Batterie vorgegeben und der Batterieentwurf durch die Modelle und Algorithmen automatisch vorgenommen werden. Mit Hilfe einer zusätzlichen Optimierung wird der vielfältige Lösungsraum hin zu den sinnvollsten Lösungen abgetastet. Die Fähigkeit, Fragen wie die oben genannten mit Hilfe der entwickelten Optimierungsumgebung zu beantworten, wird durch drei beispielhafte Batterieauslegungen mit unterschiedlichen Randbedingungen demonstriert. Zu diesem Zweck werden Elektrofahrzeuge auf Basis des BMW i3, des Tesla Model S und des VW e-Golf untersucht. Zuletzt werden mögliche Erweiterungen der Modelle, sowie deren Potential diskutiert.

One of the most important factors in reducing greenhouse gas emissions is the electrification of vehicles. Besides lowering CO2-emissions of conventional combustion vehicles by adding an electrical powertrain, the complete electrification aims at eliminating greenhouse gas emissions in the transport sector, while those vehicles are in use. The realization of the energy storage in the electrified vehicle is an important part of the electrification process.
Normally, batteries are used as energy storage. On the one hand, the battery provides the energy for propulsion. On the other hand, it is one of the heaviest, most space consuming and expensive parts in the vehicle. This is why the battery design plays an important role in changing the transport sector towards electrification. The battery is subject to a huge amount of requirements, which are sometimes contradictory (it supposed to be inexpensive, but provide a lot of energy and have a long lifetime). To fulfill all kinds of requirements there are a lot of technical and economical points of application. Therefore, batteries are always a tailored component for a specific vehicle.
Problems with many possible solutions in an engineering scope are often successfully solved by using models, which represent physical correlations and thus enable a comprehensive analysis of the solution space.
Additionally, the usage of models enable the consideration of impacts by changing boundary conditions: what happens to the battery if the battery cells are replaced? Will it be cheaper? Will it be smaller? Is a greater electrical range possible? This is where the on hand doctoral thesis steps in. After ascertaining an appropriate method to enable the use of a model-based battery design procedure, the determination of the essential correlations to be modeled takes place. Electrical and thermal behavior determine the performance of the battery. The integration into a battery pack defines the shape, while the development and manufacturing sets the battery price. For all of this areas suitable models are introduced or developed and aggregated into a combined system.
Thereby a set of requirements can be prescribed and the models and specific algorithms do the battery design procedure automatically. Additionally an optimization technique enables analyzing the solution space towards the most appropriate battery designs. Three exemplary use cases show the capability of answering questions like the above-mentioned ones under different boundary conditions. Therefore vehicles based on the BMW i3, the Tesla Model S and the VW e-Golf are used. Moreover, it is ascertained, that there is a big potential for further development of the single models to enable answering questions that are even more specific.

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Frank, Felix: Optimierter Hochvoltbatterieentwurf hinsichtlich mechanischer, thermischer und elektrischer Randbedingungen unter Berücksichtigung der Produktionskosten. 2019.

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