Simulation eröffnet großes Nutzenpotenzial

Um Elektroautos für den Massenmarkt produzieren zu können, müssen in der Produktentwicklung noch diverse Herausforderungen in unterschiedlichsten Disziplinen gemeistert werden. Die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und funktionale Sicherheit der Batterie ist dabei eines der wichtigsten Erfolgskriterien. Aber auch die Fragen nach dem optimalen Materialeinsatz, der Fahrzeugdynamik, nach der Abstimmung der Komponenten sowie nach der Infrastruktur zur Aufladung der Batterien sind zu klären.

Mit numerischen Berechnungen lassen sich schon in einer frühen Phase der Entwicklung die verschiedenen physikalischen und elektrochemischen Prozesse beschreiben, analysieren und optimieren, um für die E-Mobilität ein möglichst großes Nutzenpotenzial zu erschließen. Dafür sind durchgängige Software-Lösungen wie Ansys notwendig, mit denen die verschiedensten Phänomene bei der Entwicklung eines Elektrofahrzeugs untersucht und deren Leistungsfähigkeit optimiert werden können.

Wird eine Komponente beziehungsweise ein System von mehr als einem physikalischen Phänomen beeinflusst, sind interdisziplinäre Simulationsanwendungen erforderlich. Zur Optimierung der Batterie werden zum Beispiel elektrochemische, thermische, strömungsdynamische und strukturmechanische Phänomene untersucht. Für die Auslegung weiterer Komponenten sind unter anderem elektrische und magnetische Felder von großer Bedeutung. Der Simulationsspezialist Cadfem bietet ganzheitliche Lösungen für umfassende interdisziplinäre Simulationen, bei denen die genannten Phänomene auch in ihrer Abhängigkeit von einander untersucht werden können.

Beispielsweise werden auf der Zellebene einer Batterie die elektrochemischen Vorgänge simuliert und die thermischen Abhängigkeiten der Prozessparameter analysiert. Ziel dabei ist es, eine Zellstruktur zu finden, mit der die Zuverlässigkeit des elektrochemischen Prozesses innerhalb eines geregelten Systems gewährleistet werden kann. Hier spielen die maximale Energiedichte, die Ladekapazität und -geschwindigkeit sowie die Robustheit des Prozesses der Lade-Entlade-Zyklen eine ausschlaggebende Rolle.

Bei der Untersuchung des Temperaturverhaltens der Batterie werden ergänzend zu umfangreichen Strömungsanalysen (CFD) sowohl MOR- (Model Order Reduction) als auch LTI-Konzepte (Linear Time-Invariant) für thermische Untersuchungen verwendet. Dadurch lassen sich kompakte Temperatur- und Strömungsmodelle der Batteriezellen erzeugen, die unmittelbar in die Systemsimulation mit der Ansys-Software Simplorer integrierbar sind. In eine solche Systemsimulation sind auch weitere Komponenten des elektrischen Antriebs integrierbar. Dazu gehören unter anderem die Elektromotoren, die Leistungselektronik und die Regelung.

Infrastruktur für die

Energieversorgung

Zur Optimierung von Elektro-„Tankstellen“ steht bei moderner kontaktloser Energieübertragung, beispielsweise durch induktive Ladung, eine hohe Effizienz und große Störsicherheit im Fokus des Interesses. Für die klassische kabelgebundene Ladung sind neben der Durchschlagsicherheit auch EMV-Aspekte zu berücksichtigen. Außerdem ist ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) mit dezentralem Energiemanagement erforderlich. Nur durch die Simulation des gesamten Versorgungssystems unter Berücksichtigung unterschiedlicher Detailgrade der einzelnen Komponenten lässt sich die Zuverlässigkeit und Effizienz eines solchen Smart Grid realisieren.

Gerhard Friederici

Cadfem, Grafing b. München

Im Internationalen Congresscenter von Stuttgart, der Modellregion für E-Mobilität, dreht sich vom 19. bis 21. Oktober 2011 alles um den aktuellen Stand der Simulation in einer effizienten, innovationsorientierten Produktentwicklung. Die Cadfem GmbH und Ansys Germany laden Kunden und Interessierte zu ihrer Anwendertagung „Ansys Conference & 29. Cadfem Users´ Meeting“ ein. Die Veranstaltung wird geprägt durch weit über 200 Fachvorträge von Anwendern, Kompaktseminare und Technologie-Updates zur Ansys Product Suite sowie komplementären Software-Lösungen. Mehr als 800 erwartete Teilnehmer ermöglichen intensive Fachgespräche und Diskussionen.

Weiter Informationen unter www.usersmeeting.com.