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Einbindung der Einzelzellen von Lithium-Ionen-Traktionsspeichern in die Unfallsimulation

Die Speicherelemente eines Elektrofahrzeugs (EV) bleiben die zentrale Herausforderung für die erfolgreiche, flächendeckende Einführung von EV, welche für die Kunden attraktiv sind und eine ausreichende Fuktionalität (z.B. Reichweite) aufweisen. Stand der Technik sind hierbei Lithium-Ionen-Batterien. Diese erfordern ein hohes Maß an Sicherheitsmaßnahmen zur Gewährleistung der mechanischen Integrität der Zellen. Die aus den Maßnahmen resultierende, höhere Fahr-zeugmasse senkt wiederum die Effizienz. Um der Herausforderung eines leichten aber sicheren Energiespeichers zu begegnen und eine zuverlässige Aussage über dessen Sicherheit bereits in einem frühen Entwicklungsstadium treffen zu können, ist eine genaue Kenntnis über das mechanische Verhalten der Zellen sowie deren Abbildung im virtuellen Entwicklungsprozess notwendig. Dies bestätigen die durchgeführten Studien, hinsichtlich der Simulation von Lithium-Ionen-Zellen mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM). Das Ziel des OSTLER-Projektes war die Entwicklung eines modularen, elektrischen Speicher-systems und die Realisierbarkeit aktiver Schutzsysteme, wie etwa aufblasbarer Elementen, zu untersuchen. Diese Elemente sollen den Speicher vor mechanischer Belastung schützen. Für die virtuelle Bewertung des mechanischen Zellverhaltens war ein neuer Simulationsansatz not-wendig, da bereits existierende Verfahren auf die zum Modellaufbau verwendeten Zellversuche beschränkt waren, welche nicht der Belastung im Gesamtfahrzeug entsprachen. Zudem waren bisherige Ansätze aufgrund ihrer geringen Elementgröße nicht für den Einsatz in der Fahrzeugcrashsimulation geeignet. In dem Vortrag wird eine Methodik für den Aufbau eines Zellsimulationsmodells vorgestellt und diese auf eine Pouchzelle angewendet (vgl. Abb. 1). Als Werkzeug im Entwicklungsprozess dient dabei das Simulationsmodell eines Elektrofahrzeugs bei dem der Energiespeicher quer zur Fahrtrichtung unter den Vordersitzen positioniert ist. Zunächst werden anhand vorhandener Un-falldaten die Crashlastfälle mit der höchsten Intrusion identifiziert und diese mittels eines verein-fachten Zellmodells simulativ umgesetzt. Die Deformation des Energiespeichers sowie der Zellen wird zur Festlegung eines Auslegungslastfalls auf Gesamtfahrzeugebene sowie zur Ablei-tung von Lastfällen auf Zellebene herangezogen. Die Zelllastfälle werden folgend im Rahmen des Entwicklungsprozesses als Realversuche auf einem servohydraulischen Batterieprüfstand durchgeführt. Mittels eines qualitativen und quantitativen Abgleichs zwischen Zellversuchen und -simulationen werden die Modellparameter des gewählten Simulationsansatzes bestimmt. Die virtuelle Erprobung des Simulationsmodells und die Validierung mittels eines Realversuchs werden abschließend anhand eines aus der Gesamtfahrzeugsimulation abgeleiteten Belastungsszenarios auf Systemebene durchgeführt.