Was sollen Entwickler und Konstrukteure bei Batterien und Akkus für E-Autos beachten und welche Tools bieten sich für Ihre Arbeit an? Ludwig Hunseder, Catia Value Engagement Manager bei Dassault Systèmes, hat darauf geantwortet.
Welche Aspekte müssen Entwickler und Konstrukteure beachten?
Bei der Entwicklung und Integration von Batterien und Batteriezellen gibt es einige wesentliche KPIs (Key Performance Indicators), die es von Konstrukteuren und Entwicklern zu optimieren gilt:
Ein zentraler Aspekt dabei ist die Energiedichte, also die Menge an Energie, die pro Gewicht oder Volumen gespeichert werden kann. Höhere Energiedichten ermöglichen längere Reichweiten und kleinere Batteriegrößen – beides wichtige Voraussetzungen für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Ladezeit. Schnelles und effizientes Laden ist entscheidend, um die Benutzerfreundlichkeit von Elektrofahrzeugen zu verbessern, weshalb Entwickler sicherstellen müssen, dass die Batterien mit hoher Leistung geladen werden können.
Die Lebensdauer der Batterien ist ebenfalls von großer Relevanz, um den Anforderungen der Fahrzeugeigentümer hinsichtlich Wertstabilität gerecht zu werden. Eine hohe Lebensdauer bedeutet, dass die Batterie über viele Lade- und Entladezyklen hinweg stabil bleibt und ihre Leistung sowie der nutzbare Energieinhalt nicht stark abnimmt.
Wichtig ist zudem die Sicherheit der Batterien. Entwickler müssen geeignete Sicherheitsmaßnahmen wie Wärmemanagement, Brandschutz und Schutzmechanismen gegen elektrische und mechanische Störungen implementieren, um potenzielle Risiken wie Überhitzung, Kurzschlüsse oder Brände zu minimieren.
Die Herausforderung Batterie-Entwicklung
Mit Blick auf die Umweltverträglichkeit sollte ein wichtiger Fokus sein, umweltfreundliche Materialien zu verwenden und Schadstoffe sowie Abfälle zu reduzieren. Die Verantwortlichen sollten Rohstoffe hierfür sorgfältig auswählen, um toxische Substanzen zu vermeiden und die Recyclingmöglichkeit zu optimieren.
Nicht zu vernachlässigen sind auch die Kosten für Batterien von Elektrofahrzeugen, denn sie bestimmen am Ende die Konkurrenzfähigkeit auf dem Markt. Es ist wichtig, dass Konstrukteure kontinuierlich daran arbeiten, Batteriekomponenten und deren Produktionsprozesse zu optimieren, um die Kosten senken und gleichzeitig die Qualität sowie die Leistung der Batterien gewährleisten zu können.
Schließlich müssen die Batterien nahtlos in das Fahrzeugdesign und die Fahrzeugarchitektur integriert werden. Zu berücksichtigen ist hierbei unter anderem der Platzbedarf, die Gewichtsverteilung und eine geeignete elektrische und funktionale Anbindung.
Sind die Tools in 3D-Experience auf die Konstruktion von Batterien vorbereitet?
Die Lösungen der 3D-Experience-Plattform decken die gesamte Wertschöpfungskette der Batterie ab. Vom Materialdesign auf molekularer Ebene über die elektrische, chemische, thermische und mechanische Optimierung von Batteriezellen bis hin zur Integration in Batterie-Packs und das Fahrzeug selbst bietet Dassault Systèmes optimierte Lösungen für die Konstruktion, Modellierung, Simulation sowie Architektur und Softwareentwicklung. Darüber hinaus unterstützen die Anwendungen auf der Plattform bei der Planung, Optimierung und dem Betrieb von Produktionsanlagen.
Welche Änderungen wurden vorgenommen, was ist noch geplant?
Insbesondere bei den Simulationslösungen gab es Anpassungen, um den spezifischen Anforderungen der Batterieentwicklung gerecht zu werden. Hier wurden spezielle Modelle, Algorithmen und Methoden entwickelt, um die verschiedenen Detailebenen der Batterietechnologie zu optimieren: von der Materialentwicklung über die Optimierung von Zellkomponenten und Konstruktion der Batteriezellen, bis hin zur Integration in das Fahrzeug.
Doch der Fortschritt in diesem Bereich steht nie still: Damit die Batterietechnologie stets auf dem neuesten Stand bleibt und den sich wandelnden Anforderungen gerecht werden kann, müssen sich auch die dazugehörigen Simulations- und Datenverarbeitungsmethoden durchgehend weiterentwickeln.
Gehäuse für Batterien der E-Mobility
Welche Tools sind die Kernelemente, die bei der Batterie-Entwicklung eingesetzt werden?
Bei der Entwicklung und Integration von Batterietechnologien sind neben klassischen Konstruktionslösungen wie Catia und Solidworks auch Simulationslösungen wie Biovia, Catia und Simulia von großer Bedeutung. Diese ermöglichen die simulationsbasierte Entwicklung und Optimierung des Materialdesigns auf molekularer Ebene durch
- die Charakterisierung der wesentlichen Eigenschaften von Elektroden- und Elektrolytmaterialien,
- die Bewertung von innovativen Materialien für Batterien der nächsten Generation sowie
- das Verbinden von Materialeigenschaften mit elektrochemischen Zellmodellen.
Zudem unterstützen diese Lösungen beim Entwurf von Batteriezellen und der Leistungsoptimierung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen und der gleichzeitigen Erfüllung von Kosten-, Haltbarkeits- und Sicherheitsanforderungen.
Bei der Entwicklung und Konstruktion von Batteriemodulen und -packs ermöglichen die Simulationslösungen
- eine Verbesserung der Sicherheit, indem die mechanische Integrität während des Montageprozesses sowie bei Wärmeausdehnung, Volumenänderung und übermäßiger mechanischer Belastungen sichergestellt wird,
- die Bewertung der Alterung unter Einwirkung mechanischer Vibrationen und thermischer (Lade-)Zyklen,
- die Vorhersage von thermischen Ereignissen und die Bewertung von Strategien zur Eindämmung und Isolierung von thermisch außer Kontrolle geratenen Reaktionen,
- die Simulation und Optimierung von Kühlstrategien in den Batteriemodulen und im Pack, um das thermische Verhalten zu optimieren
Zudem bietet Dassault Systèmes Lösungen zur Entwicklung und Bewertung auf Architektur- und Systemebene, um
- das Verhalten von Batteriezellen und -modulen im Zusammenspiel mit anderen Komponenten des elektrifizierten Antriebsstrangs zu bewerten,
- Design- und Leistungsanforderungen mit Hilfe von Systemsimulationen zu erreichen sowie
- die optimale Integration von Batteriemodulen, des Batteriekühlsystems sowie des Battery Management Systems auf Fahrzeugebene zu gewährleisten
Die 3D-Experience-Plattform eröffnet schließlich auch übergreifend die Möglichkeiten, Konstruktions- und Simulationsabläufe zu automatisieren, die Auswertung der Ergebnisse bedarfsgerecht aufzubereiten und die Erfüllung der initialen Anforderungen zu überprüfen. In Kombination helfen solche Lösungen entscheidend dabei, Batterietechnologien weiterzuentwickeln und zu optimieren. Sie tragen außerdem zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit und Effizienz bei. (sk)
