Strömungssimulation für die Batterieentwicklung

Die Li-Ion-Batterietechnologie spielt eine wesentliche Rolle bei der künftigen Elektromobilität. Dabei ist es eines der wesentlichen Ziele von Simulationsanwendungen, das elektrochemische Verhalten der einzelnen Batteriezellen genau zu beschreiben. In enger Verbindung damit steht die Untersuchung des thermischen Verhaltens der Batterie: Wird eine Zelle mit einer sehr hohen Ladungsdichte aufgeladen, so wird beim anschließenden Stromfluss unmittelbar Wärme erzeugt. Es macht also nur Sinn, beide Phänomene gleichzeitig zu simulieren. Dabei kommen verschiedene numerische Verfahren zur Anwendung, etwa das Finite-Volumen-Verfahren. Gerade die CD-adapco Group mit Sitz in London und Melville im US-Bundesstaat New York hat in diesem Bereich mit seinem Berechnungspaket STAR-CCM viel Erfahrung gesammelt. Steve Hartridge, Director of Electric & Hybrid Vehicles beim Systemanbieter, sagt dazu: „Das ist slots unser Erbe, aus diesem Bereich sind wir hervorgegangen.“
Um Batterien aussagekräftig simulieren zu können, wird der Finite-Volume-Solver von STAR-CCM mit dem Solver für elektrochemische Analysen von Battery Design (Pleasanton/Kalifornien/USA) gekoppelt. CD-adapco wirft dabei sein Verständnis für strömungstechnische und thermische Phänomene in die Waagschale, Battery Design die Physik der Elektrochemie. Zusammen wird dies im Modul BSM von STAR-CCM vereint.

Wesentlich ist die Modellbildung bei jeder Art von Simulation. „Wir bieten über BSM eine Hierarchie aller relevanten physikalischen Modelle“, erklärt Hartridge. Es werden Modelle mit unterschiedlicher Komplexität und Genauigkeit geboten. In Abhängigkeit von den Annahmen, die der Berechnungsingenieur über die zu simulierenden Batteriezelle trifft, verwendet er dasjenige Modell, das am wenigsten Vorbereitungszeit und CPU-Zeit benötigt.

„Wir stehen noch sehr am Anfang dieses spannenden Anwendungsgebiets“, sagt Hartridge. Wichtig sei die geeignete Auflösung von 1D- und 3D-Mikrostrukturen, was weiterer Forschungsarbeit bedarf, auch in Hinsicht auf optimierte Numerik.

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