Batterien sind aus dem heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken – und der Bedarf wächst stetig. Insbesondere in der Automobilindustrie sind Antriebsbatterien zu einer unentbehrlichen Schlüsselkomponente geworden. Bei steigenden Anforderungen an die Sicherheit sind zugleich immer leistungsstärkere Batterien gefordert: Die Zukunft der weltweiten Mobilität ist abhängig von effizienten und sicheren Energiespeichersystemen.

Die Sicherheit dieser Batterien muss die höchsten Qualitätsstandards einhalten: Zur Zulassung gelten in der EU umfangreiche gesetzliche Anforderungen, die bei Nicht-Einhaltung im schlimmsten Fall sogar zu Bränden oder Explosionen führen und damit auch Menschenleben in Gefahr bringen. Neben der Sicherheit ist das Gewicht des Energiespeichers eine weitere Herausforderung, denn um eine hohe Reichweite zu gewährleisten, müssen die Batteriekomponenten leichter werden.

Festigkeitsanalysen und Steifigkeitsprüfungen für eine Kosten- und Gewichtsreduktion

Um in Sachen Gewicht und Sicherheit die relevanten Kriterien zu erfüllen und gleichzeitig noch Kosten in der Entwicklung zu senken, muss jede Art von Energiespeicher, die chemisch-elektrische Prinzipien zur Speicherung von Energie verwendet, umfangreich auf ihre mechanischen Eigenschaften – insbesondere Festigkeit und Steifigkeit – in einer Simulation geprüft werden.

Zur Kostenoptimierung des gesamten Produktentstehungsprozesses sollte diese Simulation des digitalen Modells relativ früh erfolgen, um noch Einfluss auf die Geometrie nehmen zu können. Bei einer vollständigen Neuentwicklung des Energiespeichers sind gegebenenfalls sogar Vorabstudien zur Machbarkeit eines Bauraumes eine sinnvolle Überlegung. Neben der mittel- und langfristigen Reduzierung der Kosten hat eine frühe mechanische Prüfung ebenfalls ein nicht unerhebliches Potenzial zur Einsparung des Gewichts: Denn trotz ihrer hohen Energiedichte und der Fortschritte in Sachen Effizienz sind die Hochvolt-Batterien noch immer recht schwer, was sich auf die Last des Gesamtfahrzeuges auswirkt. Dadurch, dass mehr Masse bewegt werden muss, sorgen die zusätzlichen Kilos für einen höheren Stromverbrauch, was wiederrum eine geringere Reichweite zur Folge hat. Die Reichweite ist allerdings für viele Endnutzer der Elektrofahrzeuge ganz besonders wichtig.

Da Festigkeit und Steifigkeit der Batteriegehäuse maßgeblich die geometrische Komplexität und damit das Gesamtgewicht bestimmen, sind genaue Berechnungen und Analysen erforderlich. Für eine optimale Kosten- und Gewichtsreduktion und der gewährleisteten Sicherheit der Antriebsbatterien, bietet das Engineering- und Technologieunternehmen invenio auf Basis des CAD-Geometriestandes des Kunden eine Umwandlung dieser Geometrie-Daten in ein Simulationsmodell an. Darauf folgt eine digitale bzw. virtuelle Betrachtung der spezifizierten Belastungen auf den Speicher. Darüber können im Anschluss Rückschlüsse auf notwendige Anpassungen der Geometrie, Werkstoffe oder Massenverteilung abgeleitet und iterativ optimiert werden.

Langjährige Erfahrung in der Simulation für jederzeit sichere Batterien

Für die Simulation wird im ersten Schritt die Geometrie der zu berechnenden Struktur mit Finite-Elementen zu einem repräsentativen mathematischen Modell vernetzt. Das Erstellen des FE-Netzes erfolgt bei invenio halbautomatisch, damit die Elementqualität zu jedem Zeitpunkt dem Anspruch an Genauigkeit gerecht wird. Nach der Definition der Randbedingungen kann die Bewertung der Festigkeit – also der Widerstand gegen ein Versagen der Struktur bei einer bestimmten äußeren Last – und die Steifigkeit, sprich der Widerstand gegen einen eindringenden Gegenstand, erfolgen. Dafür verfügt invenio über die im Automotive-Bereich verbreiteten Pre- und Postprozessoren sowie Solver, um die relevanten mechanischen Problemstellungen effizient abzuwickeln.

Bei der Simulation von Batteriekomponenten wird eine mechanische Belastung in die Baugruppe eingeleitet. Die genaue Belastung wird durch eine gesetzliche Anforderung wie beispielsweise ECE R100 oder anhand einer Spezifikation des Kunden definiert. Je nach Belastungsfall wird dann beispielsweise ein eindringender Körper – wie ein Pfahl – mit einer bestimmten Kraft gegen den Energiespeicher gedrückt. Der Speicher verformt sich und geht in einen Endzustand über, in dem der Pfahl gehalten wird und nicht noch weiter eindringen kann. Nach einer gewissen Zeit wird die Kraft wieder entfernt und die eingetretene Verformungssituation bewertet. Hier wird unter anderem darauf geachtet, ob Spalte oder Risse im Gehäuse entstanden sind.

Ein weiterer Aspekt der Auslegung von Batteriesystemen ist die Ableitung der entstehenden Wärme. Abhängig von der Betriebsart – schnelles Auflagen oder Volllast – entstehen in der Batterie erhebliche Wärmeenergien die aktiv oder passiv abgeleitet werden müssen. Hierzu werden umfangreiche CFD-Strömungssimulationen durchgeführt, bei denen der Wärmetransport in der Struktur und die resultierenden Temperaturfelder bestimmt werden. Auch Druckverluste und Makroturbulenzen können genau erfasst werden. Anschließend kann durch die verbesserte Gestaltung der Kühlkanäle oder Kühlrippen die maximal zulässige Temperatur eingehalten werden.

Kompetenz von der Konstruktion bis hin zur Simulation aus einer Hand

Durch die Absicherung aller genannten Eigenschaften wird die Produktsicherheit der Batterien bestmöglich gewährleistet. Dabei ist dank der modernen grafischen Oberflächen heutzutage die Ermittlung und Darstellung von Spannungen und Verformungen kein schwieriges Unterfangen mehr – dafür umso mehr die Bewertung der Berechnungsergebnisse. Das Expertenteam für technische Berechnungen von invenio verfügt über viele Jahre umfangreicher Erfahrungen in der Einschätzung und Beurteilung von FEM-Ergebnissen und gewährleistet mit eigenen, an die speziellen Anforderungen angepassten Programmen, eine kostenoptimierte und schnelle Bearbeitung der Analysen. Aufgrund dieser Maßnahmen ist es invenio möglich, die Projektarbeit beschleunigt abzuwickeln.

Als umfassender Engineering- und Technologiepartner ist invenio neben der Simulation und Berechnung am Standort in Willich auch für die Konstruktion der Energiespeicher tätig. So arbeitet invenio deutschlandweit mit seinen unterschiedlichen Fachbereichen bei der Energiespeicher-Thematik zusammen. invenio-Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Ludwigsburg sind Spezialisten für die Entwicklung solcher komplexen Energiespeicher, der Fachbereich in Rüsselsheim wirkt in der Konstruktion mit und 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. Eine Koordination und enge Verzahnung der entwickelnden Gewerke ist somit sichergestellt.

Batterien bieten jedoch nicht nur in der Automobilindustrie, sondern ebenso in vielen weiteren Branchen einen vielversprechenden Zukunftsmarkt. Profitieren Sie von über 35 Jahren Erfahrung und einem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis bei Ihrer Batterie-Simulation. Mehr Informationen und Kontaktmöglichkeiten erhalten Sie hier:

invenio Technical Simulations GmbH

Halskestraße 3-5 | 47877 Willich

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Hochgeladen von: gorodenkoff
Bildunterschrift: Die Batteriekomponenten werden von invenio mittels mechanischen Simulationen auf ihre Eigenschaften wie Festigkeit oder Wärmeableitung genau überprüft.

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