Visualisierung & Simulation Kühles Batteriepaket: Sichere Nutzung für heiße Rennwagen

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Formula Student ist ein weltweiter Wettbewerb, bei dem über 500 akademische Teams ihr eigenes Auto nach den Regeln der SAE oder der Formula Student Germany (FSG) bauen. Das Team Ecurie Aix begann 1999 mit dem Bau des von einem Zylindermotor (ICE) angesteuerten Autos und ging im Sommer 2022 mit seinem zehnten vollelektrischen Auto an den Start und legte besonderes Augenmerk auf ein gut gekühltes Batteriepaket.

Jedes Formula Student Event besteht aus statischen und dynamischen Disziplinen. Zu den statischen Disziplinen gehören ein Event zur technischen Konstruktion, ein Cost-Event und eine Businessplan-Präsentation. Bei den dynamischen Disziplinen handelt es sich um Tests in den Bereichen Endurance, Efficiency, Autocross, Acceleration, Skip Pad und Track Drive. Die wichtigste Disziplin in jedem Wettbewerb ist das Langstreckenrennen über 22 Kilometer, das in zwei Teile (je 11 Kilometer) aufgeteilt ist.

Ecurie Aix war auf der Suche nach einem effizienten und zuverlässigen Lösungsansatz für die thermische und elektrische Charakterisierung von Batteriepaketen und erkannte, dass aufgrund der Komplexität des Problems mehrere Disziplinen kombiniert und inte­griert werden mussten. In Zusammenarbeit mit Siemens Digital Industry Software wurde das Projekt Batterie Aix durchgeführt, bei dem Experimente, Systemsimulationen (SYS) und numerische Strömungsmechanik (CFD) effizient kombiniert wurden, um das Wärmemanagement von Batterien zu optimieren. Dazu wurden Skalierbarkeit, Wiederverwendbarkeit und künftige Verbesserungen berücksichtigt.

Das Batteriepaket sicher nutzen

Die Elektromobilität ist eine der größten Herausforderungen in der Automobilbranche und einer der wichtigsten Aspekte ist das Wärmemanagement von Batterien – die Disziplin, die mehrere Systeme (Kühlung, Batterien, etc.) integriert. Sie ermöglicht eine optimale und sichere Nutzung des Batteriepakets, was sowohl für Renn- als auch Personenwagen zwingend erforderlich ist. Die Originalhersteller von Maschinen (OEMs) müssen diese Batteriepakete testen und charakterisieren, um sie sicher in das Kühlsystem des Fahrzeugs zu integrieren – sie müssen ihnen vertrauen. Simulationsexperimente spielen eine wesentliche Rolle bei der Abdeckung eines Spektrums von Betriebsbedingungen, wie Haltbarkeit und Alterung.

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Beim Projekt Batterie Aix mussten die Studierenden herausfinden, wie man Batteriezellen charakterisiert, Batterien optimal in das Fahrzeug integriert, um die Erwartungen an Leistung und Reichweite zu erfüllen, und wie man die richtige Konstruktion und die korrekte Bemessung des Kühlsystems erreicht. Die grundlegende Idee hinter diesem Projekt ist die Co-Simulation von SYS und numerischer Strömungsmechanik mittels Experimenten. „Wir brauchten die Lösungen von Siemens für Batterie- und Wärmesimulationen. Die Modellierung der Batterie und ihres Verhaltens war für uns ein neues Gebiet“, erklärt Thomas Nyhues, Ingenieurstudent bei Ecurie Aix. 

Multidisziplinärer Lösungsansatz

Anstatt ein komplexes Batteriemodell zu verwenden, um Daten zu generieren, führten die Studierenden am Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen Experimente in der realen Welt durch. Anhand eines multidisziplinären Lösungsansatzes für die elektrische und thermische Simulation von Batteriepaketen kombinierte das Team Experimente, SYS und CFD, um wertvolle Erkenntnisse über den Batterieverbrauch zu gewinnen. Zuerst ließen sie die Batterie-Testbench mit verschiedenen Stromprofilen laufen, die mit der Simcenter-Amesim-Software erzeugt wurden. Durch Verwendung der Testergebnisse als Input für die Batterie-Identifikations-Toolbox war das Team in der Lage, alle Parameter des Ersatzschaltbild-Modells in Simcenter Amesim vollständig zu identifizieren. Dieses vollständig parametrisierte Modell ist nun für weitere Schritte und Verbesserungen im Projekt verfügbar. Simcenter ist Teil des Siemens-Xcelerator-Portfolios, dem umfassenden und integrierten Software-, Hardware- und Service-Portfolio.

Wichtig für ein sicheres Batteriepaket: Temperatur und Wärmefluss

Als Nächstes folgte die FMI-Phase (Functional Mockup Interface), in der das Team das vollständig charakterisierte Batteriepaket als funktionale Mockup-Einheit (FMU) mit dem FMI-Standard exportierte. Dieser Schritt ermöglichte den Austausch von Temperatur und Wärmefluss zwischen der Software. Schließlich führten sie numerische Strömungsmechanik-Simulationen durch, bei denen sie die FMU und die Charakterisierung des Batteriepakets importierten. Von hier aus lösten sie die zeitabhängige konjugierte Wärmeübertragungssimulation in der Simcenter Star-CCM+ Software auf. Dazu wurde ein Stromprofil verwendet, das während eines Langstreckenrennens aufgezeichnet wurde. FMI- und FMU-Standards werden von beiden Lösungen unterstützt und ermöglichen eine unkomplizierte Kommunikation der Software untereinander. Diese Funktion wurde während des Projekts in die Software implementiert, sodass das Team zu den ersten gehörte, die diese Funktionen verwendet haben.

Team hat Zugriff auf Support Center

Darüber hinaus war die technische Unterstützung durch Siemens ein wichtiger Erfolgsfaktor bei diesem Projekt. Claudio Santarelli, Academic Business Developer bei Siemens, und Christopher Helbig, Presales Solutions Consultant für Systemsimulation bei Siemens, begleiteten Ecurie Aix durch das Projekt. Nyhues führt weiterhin aus: „Wir hatten einige Probleme mit der Kopplung der Software und ihrer erstmaligen Verwendung, aber das Support-Team hat uns immer eine Lösung angeboten.“ Das Team hatte auch Zugriff auf das Support Center, in dem häufig gestellte Fragen (FAQs) und Tutorials zu finden waren, auf welche die Studierenden während des Projekts jederzeit zugreifen konnten. Auch die Lernplattform, Siemens Xcelerator Academy, stand zur Verfügung.

Dieses Simulations-Setup kann nun durch Konstruktionsänderungen erweitert werden, um das Wärmemanagement der Batterie zu optimieren. Das Team erhielt realistischere und vertrauenswürdige Simulationsmodelle, die es ihm ermöglichen, den Zeit- und Ressourcenaufwand für Streckentests zu reduzieren und die Kosten zu senken. „Simcenter Star-CCM+ ist ein hochmodernes Tool für numerische Strömungsmechanik-Simulationen – insbesondere für aerodynamische Simulationen“, so Nyhues. Darüber hinaus ermöglichen die Simulationen dem Team den Zugriff auf Daten und Informationen, die bei Streckentests nicht zur Verfügung stehen. Dies öffnet neue Türen im Fahrzeugentwicklungsprozess. „Es ist schwierig, gute Testprotokolle zu konstruieren, die vollständig charakterisiert sind. Durch die Software war der Vorgang vollständig automatisiert – wir haben einfach die Dokumente erhalten und konnten dann loslegen“, erklärt Fabian Böhm, Ingenieurstudent bei Ecurie Aix.

Tool zur Batterieerkennung spart Zeit

Sobald das Kühlsystem der Batterie korrekt simuliert war, konnte es das Team während des Fahrzeugentwicklungsprozesses einsetzen. Die Reduzierung der Größe und des Gewichts des Kühlsystems verschaffte dem Team beispielsweise einen Vorteil gegenüber anderen Teilnehmern. „Das Tool zur Batterieerkennung hat uns viel Zeit gespart“, fährt Nyhues fort. „Sie geben Ihre Daten einfach in eine Toolbox ein und erhalten ein genaues Batteriemodell.“

Der Schlüssel zum Erfolg war die gute Zusammenarbeit. „Sie ermöglichte es uns, in die Software einzusteigen und alle Probleme zu lösen, die während des Projekts auftraten“, sagt Nyhues. Er ist immer noch überwältigt von der Motivation des Partners: „Wir hatten das Gefühl, dass wir dieselben Ziele verfolgten.“ Luca Leogrande, Ingenieurstudent bei Ecurie Aix, fügt hinzu: „Als Team müssen wir neue Mitglieder schnell einarbeiten, um effektiver arbeiten zu können, und die Dokumentation ermöglicht uns dies.“ Böhm fasst dies so zusammen: „Die Zusammenarbeit mit dem Support-Team war die treibende Kraft hinter diesem Projekt.“

Das Team freut sich darauf, die Teamcenter-Software für verschiedene Aspekte wie Dokumentation und Änderungsmanagement zu verwenden. „Diese beiden Punkte sind es, die die Software für uns so interessant machen“, erklärt Leogrande. Das Team wird das Batteriemodell auch im Lösungsansatz des Testens unter realen Bedingungen implementieren, etwa als Software-in-the-Loop (SiL) in Kombination mit Hardware-in-the-Loop (HiL). Es ist zu erwarten, dass das Batteriemodell in Zukunft auch für die Simulation der Rundenzeit und für einen Echtzeit-Controller verwendet wird.
 Der Autor Dr.-Ing. Claudio Santarelli ist Academic Business Developer bei Siemens Digital Industries Software.