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29.12.2021 | Simulation + Berechnung | Gastbeitrag | Online-Artikel

Technische Simulationssoftware optimiert die Akkuentwicklung

verfasst von: Pepi Maksimovic

4:30 Min. Lesedauer
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Technische Simulationssoftware kann die Produktionskosten von Batterien senken. Durch die genaue Modellierung von Batterien werden Elektroautos erschwinglicher und umweltfreundlicher.

Der Wettlauf zwischen Automobilherstellern um die Elektrifizierung – vom Kleinwagen über SUVs bis hin zu Sportwagen – ist in vollem Gange. Selbst Rennwagen mit anspruchsvollsten Leistungsanforderungen, wie der Porsche 99X Electric, können jetzt mit einem leistungsstarken Elektromotor ausgestattet werden. Doch die Freude über einen geringeren CO2-Ausstoß auf der Straße wird durch die Treibhausgasemissionen und die Kohlenstoffintensität getrübt, die bei der Entwicklung, dem Test und Bau von Batterien für Elektroautos der nächsten Generation anfallen.

Die Lösung liegt im Einsatz leistungsfähiger und umfassender technischer Simulationssoftware, die es Ingenieuren ermöglicht, zu untersuchen und vorherzusagen, wie Batterien, Komponenten und ganze Systeme in der realen Welt funktionieren (oder versagen), und zwar in Echtzeit auf der Straße.

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Produktentstehungsprozess

In ihrem Vorwort charakterisieren die Herausgeber die Produktentstehung sehr treffend als einen hochkomplexen Prozess, dessen Gestaltung und Optimierung immer größere Bedeutung gewinnt. Letztendlich muss dieser Prozess termingerecht zu einem Fahrzeug führen, das für die Zielkunden so attraktiv ist, dass sie es zu einem Preis erwerben wollen, der mit den Renditevorstellungen des Automobilunternehmens im Einklang steht und damit dessen Wettbewerbsfähigkeit sichert.

Die Umweltbelastung der Batterieentwicklung

Üblicherweise werden physische Batterieprototypen fortlaufend überarbeitet, getestet und optimiert. Dieses Verfahren ist zeitaufwändig, teuer und mit erheblichen Umweltauswirkungen verbunden. Auf dem Weg zu nachhaltigeren Fahrzeugen bewerten Automobilhersteller bei der Einführung neuer Modelle jedes Designdetail und jede Designentscheidung genau – vom Antriebssystem über das Fahrzeugäußere bis hin zum Innenraum mit modernsten Infotainmentsystemen. Sie suchen nach Möglichkeiten, jede einzelne Fahrzeugkomponente bis ins kleinste Detail zu optimieren und neu zu gestalten, um das Gewicht zu reduzieren, den Energieverbrauch zu senken und die CO2-Bilanz zu verbessern.

Während die Produktion und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zunehmen, bleibt eine große Herausforderung bestehen: die Batterie. Bei der Verbesserung der Batterietechnologie sind einige der aktuellen Schwerpunktbereiche die Erhöhung der Reichweite, das schnellere Aufladen, die Verlängerung der Lebensdauer, die Verringerung des Batteriegewichts und das Einsparen von Seltenen Erden. Hinzu kommt, dass derzeit weniger als 5 % der Li-Ion-Batterien recycelt werden.

Weiterentwicklung von Zellen in Echtzeit

Batterien können sich seltsam verhalten – oft bestehen sie alle grundlegenden Tests, bis zu dem Moment, in dem sie ihr Höchstpotenzial erreichen oder auf ungewöhnliche Anforderungen reagieren müssen. Bei der Simulationstechnologie dreht sich alles um die genaue Vorhersage der Leistung unter allen möglichen realen Fahrszenarien. Basierend auf den Grundprinzipien der wissenschaftlichen Modellierung, die auf der Physik, Mathematik und Informatik beruhen, gibt die technische Simulation Ingenieuren die Möglichkeit, zu verstehen, wie sich Batterien in Millionen von realen Szenarien verhalten werden, während gleichzeitig die Notwendigkeit wiederholter physikalischer Tests, die kohlenstoffintensiv und kostspielig sind, reduziert wird. Die technische Simulation ermöglicht bisher unvorstellbare Experimente, ganz ohne die Einschränkungen, mit denen bei der Mikrofertigung und Tests zu rechnen ist, und auch ohne die damit einhergehende Verschwendung.

Die Bausteine der Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge sind selbst in den modernsten Autos überraschend einfach. Die Basiszellen aus Elektroden und Elektrolyten sind in einem Gehäuse untergebracht, um sie vor Stößen, Vibrationen und Hitze zu schützen. Diese Module werden mit Schutz- und Kontrollsystemen zu einem Batteriepack kombiniert, das dann in das Fahrzeug eingebaut wird. Während die Batterietechnologie zwar voranschreitet, könnte allerdings argumentiert werden, dass diese Entwicklung nicht im gleichen Tempo erfolgt wie die Optimierung von Fahrerassistenz- und Infotainmentsystemen.

Tests in einer virtuellen Welt

Ein wirklicher Durchbruch ist, dass Ingenieure nun in der Lage sind, vorausschauende Simulation zu nutzen, um Batterien, Komponenten und komplette Systeme in einer virtuellen Welt zu testen und zu validieren. Das reduziert die hohen Umweltbelastungen durch Emissionen, die bei der Entwicklung besserer Batterien durch kontinuierliches physisches Prototyping entstehen. Mit Hilfe von Simulation lassen sich nicht nur unzählige Designvarianten, die Wahl verschiedener Materialien, Verpackungskonzepte und vieles mehr schneller bewerten als mit physischen Tests, es lässt sich auch ein detaillierteres Verständnis der physikalischen Grundlagen gewinnen.

Automobilhersteller sehen in Simulation ein wichtiges Werkzeug der nächsten Generation, das Innovationen beschleunigt und Nachhaltigkeit fördert. Sie hilft Ingenieuren, neue Technologien viel schneller und kostengünstiger zu entwickeln. Ein wichtiger Faktor, da die Erschwinglichkeit entscheidend für eine breite Einführung neuer und nachhaltigerer Technologien ist.

Die Leistung von ganzen Systemen vorhersagen

Der größte Nutzen, den Fahrzeughersteller aus der technischen Simulation ziehen, besteht darin, dass sie ganze Systeme bewerten und optimieren können und nicht nur einzelne Komponenten isoliert testen. Durch diese Systemintegration können Ingenieure modellieren, wie sich ein ganzes Fahrzeug in verschiedenen Szenarien und bei unterschiedlichen Wetter- und Fahrbedingungen verhalten wird – und das lange bevor es gebaut wird.

Die Beschleunigung des Produktdesigns und die frühe Markteinführung innovativer Batterietechnologie werden zu einem echten Markenvorteil. Dieser Systemansatz wird sich auch längerfristig durch höhere Zuverlässigkeit und geringere Garantiekosten auszahlen.

Umweltfreundlichere Forschung und Entwicklung

Durch die Integration der Systemsimulation in den Designzyklus verkürzen Konstrukteure die Iterationsschleifen. Das spart Zeit und Geld und führt letztlich zu einem besseren Fahrerlebnis und einem wirklich nachhaltigen Auto. Diese Faktoren werden den Ruf von Elektroautos als Verkehrsmittel der Zukunft und nicht nur als unsere beste Alternative für die Mobilität von morgen untermauern.

Bessere Batterien bedeuten größere Reichweite, schnelleres und selteneres Aufladen, eine längere Batterielebensdauer und bessere Recycelbarkeit. Die genaue Modellierung von Batterien wird Elektroautos erschwinglicher machen und dazu beitragen, dass sie das Versprechen der umweltfreundlicheren Fortbewegung erfüllen und das von der Konstruktion über die Entwicklung bis hin zum Fahren.

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