Die Mobilität erfährt seit einigen Jahren einen bedeutsamen Wandel. Unternehmen in der Automobilbranche sowie deren Zulieferer müssen mit neuen Innovationen den Umbruch hin zur klimafreundlichen Alternative meistern und sich mit nachhaltigen Antriebskonzepten am Markt positionieren. Seit einigen Jahren werden daher Elektro-Fahrzeuge neuen Denkansätzen unterzogen, um in den Bereichen Energie und Mobilität moderne Technologien zu etablieren.

Das Herzstück moderner und zukunftsweisender Elektro-Pkw sind hochkomplexe Energiespeichersysteme. Als größtes Bauteil im Fahrzeug befinden sie sich oftmals längs unter der Fahrgastzelle des Autos und sind von der Funktionsweise mit einem Smartphone-Akku vergleichbar – aber selbstverständlich sind die Größe, die nötige Kapazität und die Batterie-Leistung signifikant höher. Die unterschiedlichen Batteriemodule des Akkus bestehen wiederrum aus einzelnen, in einer Reihe geschalteten Zellen, die in der Summe die notwendige Spannung für den Antrieb ergeben. Wird die Hochvoltbatterie geladen, wird ihr elektrische Energie zugeführt. Sobald ihre Kapazität für das Fahren gefragt ist, wird sie vom Motor in mechanische Energie – also Bewegungsenergie – umgewandelt.

Bild: invenio AG

Damit dieser Prozess zu jeder Zeit funktionsfähig ist, unterliegt das Energiespeichersystem einer Vielzahl technischer Anforderungen: Neben Batteriezellen, Klimatisierung, Batteriemanagement und Gehäuse, gehören viele Kabel, Stromschienen, Stecker und Pumpen zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem. Die Größe der Energiespeicher ist insbesondere für vollelektrische Fahrzeuge heute noch enorm. Während Kleinwagen noch mit 7 kWh Batteriekapazität und 42 Zellen sehr schlank daherkommen, benötigen große Familien-Vans oder SUVs rund 100 kWh Batteriekapazität und mehr als 8.200 Batteriezellen, um ausreichend Power und Reichweite für die Kunden zur Verfügung stellen zu können. Dabei bringen die Akkus bis zu 700 kg auf die Waage.

Technische Berechnungen für gewährleisteten Schutz

Insbesondere die Sicherheit dieses hochkomplexen Energiespeichers stellt eine Herausforderung dar. Kommt es zu einem Unfall, müssen die Batterien sorgfältig geschützt sein, um einen – im schlimmsten Fall lebensgefährlichen – Kurzschluss zu verhindern. Wird ein gefürchteter ‘thermal runaway’ ausgelöst, vergehen oft nur wenige Minuten, bis das Gesamtsystem zerstört ist und im äußersten Fall das Fahrzeug in Flammen steht. Die Überwachungselektronik, Messtechnik und eine ausgeklügelte Regelung sorgen dafür, kritische Systemzustände zu vermeiden.

Mit tiefgreifendem Know-how in der technischen Berechnung unterstützt das Engineering- und Technologieunternehmen invenio OEMs sowie ihre Zulieferer mit der Simulation von Energiespeichersystemen. Anhand der CAD-Zeichnungen wird ein mathematisches Modell – eine Art Netz über der digitalen 3-D CAD-Zeichnung mit einer Vielzahl von Knotenpunkten – erstellt.

Mittels geeigneter Software-Pakete für die unterschiedlichen Anforderungen kann die Batterie selbst, als auch das Gehäuse an jedem Knotenpunkt auf thermische sowie mechanische Eigenschaften geprüft und so bereits in der Entwicklungsphase optimiert werden. Die frühzeitige Simulation schafft nicht nur Klarheit zum Verbesserungspotenzial, sondern spart auch maßgeblich die Kosten in der Entwicklung ein – eine Simulation ist deutlich preiswerter als ein Versuch an den Prototypen. So können optimale Geometrien ermittelt und Funktionen abgesichert werden.

Mechanische Eigenschaften des Energiespeichersystems – wie die Gehäuse-Stabilität – sind beispielsweise bei Unfällen oder Unebenheiten in der Fahrbahn entscheidend, um Deformationen zu verhindern. Die Festigkeit wird beispielsweise in Crush Pfahl-Eindrückprüfungen, Crash-Berechnungen oder auch mittels Beschleunigungslasten analysiert, um zu jeder Zeit den Schutz der Hochvolt-Batterie durch das Gehäuse zu gewährleisten. Doch auch Schock und Vibrationen, die Berstdruck-Ermittlung sowie Ermüdungserscheinungen bei Betriebsdruck werden genauestens untersucht. Zudem müssen alle Anbindungen wie beispielsweise Schrauben kontrolliert werden.

Bei detaillierten thermischen Berechnungen (stationär oder transient) wird außerdem die Wirksamkeit aktiver und passiver Kühlelemente nachgewiesen und Spannungen sowie mögliche Verformungen, die beispielsweise aufgrund von Temperaturunterschieden auftreten können, ermittelt.

Auch Strömungsanalysen – von Druckverlustberechnungen über die Optimierung des Wärmeüberganges bis hin zur Analyse und Bewertung des Kühlkonzeptes – sind für die Entwicklung und Absicherung des Batteriesystems unerlässlich.

Für die Simulation werden die CAD-Daten des Energiespeichersystems und Informationen zu den Randbedingungen wie beispielsweise dem verwendeten Material benötigt, um daraus das physikalische Modell für die Berechnungen erstellen zu können. Selbstverständlich erhalten Kunden nach abgeschlossener Simulation eine detaillierte Analyse mit möglichen Optimierungsvorschlägen und eine ausführliche Dokumentation. Nur so kann Automobilherstellern sowie Zulieferern ein sicheres und funktionales Energiespeichersystem – sowohl in der Entwicklung selbst als auch nach Integration in Zusammenspiel mit dem Restfahrzeug – gewährleistet werden.

Als Full-Service-Partner arbeitet invenio deutschlandweit mit seinen unterschiedlichen Fachbereichen bei der Energiespeicher-Thematik zusammen. So sind invenio-Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Ludwigsburg Spezialisten für die Entwicklung solcher komplexen Energiespeicher, der Fachbereich in Rüsselsheim wirkt in der Konstruktion mit oder führt Versuche durch. In Ismaning und Böblingen unterstützt man mit Füllanalysen oder Montageuntersuchungen mit der eigenen invenio-Software ‘VT-DMU’. Neben der Entwicklung ist auch die Fertigung in Ludwigsburg und Nauheim mit der Produktion von Teilen aus Aluminiumguss, Kunststoffspritzguss oder 3-D-Druck involviert. Dabei werden beispielsweise Batteriegehäuse, Sensorhalter oder Komponenten für die Steuerungsbox hergestellt.

Profitieren Sie von unserer über 35-jährigen Erfahrung und einem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis bei Ihrer Energiespeicher-Simulation. Mehr Informationen und Kontaktmöglichkeiten unter: www.invenio.net

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