Daimler-Mitarbeiter-Blog

Lithium-Ionen Batterien gelten momentan als die wichtigsten Energiespeicher in Autos, die entweder nur mit einem Elektromotor unterwegs sein werden oder als Hybrid in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor.  Die Lithium-Ionen Batterie zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus - das ist der Energieinhalt pro Batteriegröße. Und der ist sehr wichtig, wenn wir mit unserem Elektrofahrzeug ähnlich weit kommen wollen, wie mit einem herkömmlichen Fahrzeug. Benzin und Diesel haben nämlich eine höhere Energiedichte.

Jetzt zum eigentlichen Thema. Wie Batterien elektro-chemisch im Normalbetrieb funktionieren ist bekannt und wird hier auch nicht weiter betrachtet. Es beschäftigen uns viele Fragen, die sich damit befassen, wie sich die Hochvolt-Batterien in Elektrofahrzeugen verhalten, die in einen Unfall verwickelt wurden. Welches Gefahrenpotenzial geht von einer solchen Hochleistungsbatterie bei einem Fahrzeugcrash aus? Welcher Belastung hält die Batterie Stand? Was darf gar nicht passieren? Können wir die Batterie genau so gut schützen, wie die anderen Gesamtfahrzeugkomponenten oder Fahrzeuginsassen?

Um diese Fragen beantworten zu können, beschäftigen wir uns  – im Crashberechnungsteam der Forschung unter anderem mit der Erstellung geeigneter Crashmodelle von Lithium-Ionen-Batterien für den Fahrzeugantrieb. Mit diesen Crashmodellen analysieren wir in numerischen Simulationen am Rechner die Batteriefestigkeit in verschiedenen Crashlastfällen. Die Ergebnisse geben wertvolle Hinweise für die Batterie- und Fahrzeugentwickler, wie der Konstruktionsprozess weitergeführt werden muss, damit am Ende Batterie und Fahrzeug optimal zueinander passen.

Damit die Modelle realitätsnahe Aussagen hervorbringen können, müssen im Vorfeld aufwendige Belastungstests mit Einzelteilen und Komponenten  durchgeführt werden. Die Ergebnisdaten dieser Experimente werden anschließend in die Crashmodelle eingegeben, damit diese dann valide Aussagen machen können.

Ein Crashmodell einer Batterie ist also analog aufgebaut, wie eine wirkliche Batterie, aus Einzelteilen, wie Batteriezellen, Kühler, Befestigungskonsolen, Kabel, Zellrahmen, Schrauben u.s.w. Diese Teile bestehen aus verschiedenen Materialien, wie Metallen und Kunststoffen, deren mechanisches Verhalten bei Belastungen im Einzelnen und im Zusammenwirken erforscht werden muss.

Zum Beispiel, das mechanische Modellieren einer Batteriezelle: Eine Batteriezelle besteht aus hunderten übereinander gestapelten Lagen, die am Ende eine Struktur ergeben. Wie muss eine Batteriezelle numerisch beschrieben werden, damit das Modell im Crash unter verschiedenen Lastfällen gute Aussagen liefern kann? Beschreiben wir das Modell zu detailliert, haben wir am Ende in einer Fahrzeugcrashsimulation tagelange Rechenzeiten, die nicht gewünscht sind. Machen wir das Modell zu grob, sind die Rechenzeiten schnell und akzeptabel, aber die Aussagegenauigkeit lässt Zweifel aufkommen. Für jedes Bauteil stellen sich immer die gleichen Fragen: Wie sollen die Bauteile modelliert werden, wie detailliert oder wie grob müssen diese Modelle sein?

Ein wichtiger Schritt in dieser Arbeit ist die Validierung, also die Bedatung der Modelle mit Daten, die wir aus experimentellen Belastungsmessungen ermittelt haben. Das Simulationsmodell wird solange überarbeitet, geändert und wieder neu bedatet, bis die Simulationsergebnisse am Ende eine gute, akzeptable Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen erreicht haben.

Um es kurz zu fassen: Für mich ist meine Aufgabe sehr spannend und abwechslungsreich. Ich agiere im Spannungsfeld zwischen Batterie- und Fahrzeugkonzeption und unterstütze die Kollegen der Fahrzeugentwicklung mit meinen Berechnungsmodellen.

Die Verantwortung ist groß, wenn ich um Aussagen gebeten werde, ob die Batterie im Fahrzeug hält oder kaputt geht. Um belastbare Aussagen machen zu können, ist immer wichtig zu verstehen, wie das Modell aufgebaut wurde und für welchen Zweck, das heißt was ist an Wissen und Werten in das Modell eingeflossen, was kann man damit prognosefähig rechnen und was auch nicht.

Da die Batterieentwicklungen für reine Batteriefahrzeuge noch in vollem Gang sind, steht testbare Hardware teilweise nur in sehr teuren Prototypen zur Verfügung, was bedeutet, dass Proben für unsere Festigkeitstests heute noch rar sind. Man muss sich eine effiziente Arbeitsweise überlegen, um die notwendigen Informationen zu beziehen, die für die Modellerstellungen gebraucht werden.

Fragen sind da zum Beispiel: Mit welchem Bauteil mache ich am besten welchen Versuch? Mit welchen Versuchen bekomme ich die besten Aussagen? Welche internen Versuchsmöglichkeiten habe ich? Welches Institut oder welche Forschungseinrichtung ist kompetent auf dem Gebiet? Weil das Thema neu ist, müssen auch die Antworten sozusagen  „erforscht“ werden. Das nennt man neue Denkweise oder auch Paradigmenwechsel. Diese neue Denkweise macht unsere Arbeit noch dynamischer und alles andere als monoton.

Ich glaube, dass die Elektrofahrzeuge unsere Leben ändern werden. Sie werden die Umwelt schonen und die Emissionen reduzieren. Elektrofahrzeuge sind wichtig auf dem Weg zum nachhaltigen Verkehr.  Unser Ziel lautet: „Zero Emission“.  Die innovativen Ideen, die in den letzten 125 Jahren viele „Missions Impossibles“ realisiert haben, sind jetzt für eine „Mission“ da: die E(lektro)-mission!