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24.4.2014 : 23:17 : +0200

Effizientere E-Mobilität durch Simulation


© iStockphoto/Henrik5000

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, die als Energielieferant beziehungsweise -speicher dient, ist dabei eines der wichtigsten Erfolgskriterien. Aber auch die Fragen nach dem optimalen Materialeinsatz sowie der Fahrzeugdynamik, die Abstimmung der Komponenten für eine intelligente Verbrauchsoptimierung sowie die Aufladung an "Elektro-Tankstellen" mittels Kabel oder durch induktive Energieübertragung sind noch nicht endgültig geklärt. Ein weiteres Ziel ist die Realisierung eines intelligenten verbrauchsorientierten Energiemanagements (Smart Grid).

Mit numerischen Berechnungen lassen sich die verschiedenen elektromechanischen, physikalischen und elektrochemischen Prozesse beschreiben, analysieren und optimieren, um so frühzeitig in die weitere Produktentwicklung eingreifen zu können. Mittels Simulation kann das Zusammenspiel aller Komponenten abgebildet und so ein effizientes Elektroauto entwickelt werden.

Die CADFEM GmbH beschäftigt sich seit über 25 Jahren mit der numerischen Simulation und stellt nachfolgend ihre Simulationslösungen und Ansätze für die E-Mobilität vor:

CADFEM-Lösung für Li-ION Zellen

Beschreibung der elektrothermischen Prozesse innerhalb einer Zelle, unter Berücksichtigung thermischer Wechselwirkungen.

Zielsetzung: Eine Zellstruktur, die die Zuverlässigkeit des elektrochemischen Prozesses hinsichtlich der Steuerung gewährleistet. Eine hohe Ladekapazität und die Geschwindigkeit des Ladevorgangs sind dabei weitere Prämissen.

Der CADFEM Ansatz ermöglicht die Beschreibung des Lade- und Entladevorganges einer Batteriezelle anhand eines physikalischen Modells mit dem ANSYS Systemsimulator Simplorer.

BatterySimulation [3.3MB]

ANSYS - E-Mobilität: Principle of Lithium ion battery

CADFEM-Lösung für Batterie (Zellverbund)

Beschreibung der Wechselwirkung einzelner Zellen im Zellverbund.

Zielsetzung: Geeignete Anordnung und Verknüpfung einzelner Zellen, um eine möglichst hohe Lebensdauer in einem vorgegebenen thermischen Betriebsbereich zu erreichen.

CADFEM verknüpft die physikalischen Kompakt-Modelle einzelner Zellen mit der numerischen Beschreibung thermischer Randbedingungen (FEM + MOR) in einem Gesamtsystem.

Die Besonderheit dieser Systembeschreibung basiert auf der Integration ordnungsreduzierter Modelle, die aus detaillierten FEM-Modellen abgeleitet werden.

Electrothermal_Simulation_Lithium_Ion_Battery [430kB]

ANSYS - E-Mobilität: From 3D model to state space model

CADFEM-Lösung für Batteriekühlung

Beschreibung des thermischen Managements einer Batterie unter Betriebsbedingungen.

Zielsetzung: Auslegung einer geeigneten Kühlung der Batterie zur Bereitstellung elektrischer Energie für die angeschlossenen Verbraucher. In diesem Zusammenhang ist die Berücksichtigung realer Einsatzbedingungen (Fahr-, Ladezyklen) schon während der Designphase von besonderer Bedeutung.

Aufbauend auf den verfügbaren CADFEM-Lösungen zur Beschreibung der Zelle und des Zellverbundes, ermöglicht der Systemsimulator Simplorer die Abbildung echtzeitnaher Belastungsszenarien.

Electrothermal_Simulation_BatteryPack_Power Electronics [800kB]

CADFEM-Lösung für elektrische Antriebe

Beschreibung des Antriebsstranges bestehend aus: Regelung, Leistungselektronik, Elektromotor und mechanischen Komponenten.

Zielsetzung: Auslegung eines energieeffizienten Antriebsstranges in der Wirkungskette der Komponenten für den jeweiligen Einsatz. Mittels Simulation können neue Motorkonzepte durch detaillierte numerische Beschreibungen frühzeitig in den Entwicklungsprozess einfließen.

Die CADFEM-Lösung sieht die Integration ordnungsreduzierter Modelle vor, z.B. für den Elektromotor, Sensoren und für mechanische Komponenten. Die Simulation des Gesamtsystems inklusive der Regelung und Leistungselektronik wird mit dem ANSYS-Systemsimulator Simplorer durchgeführt.

Die Details der Einzelkomponenten können darüber hinaus in einer 2D- oder 3D-FEM-Simulation abgebildet und optimiert werden. Diese Detailanalyse erfolgt für die magnetischen Komponenten mit dem ANSYS-Werkzeug Maxwell, für die mechanischen mittels ANSYS Mechanical.

HybridElectricVehiclePropulsion [3.9MB]

CADFEM-Lösung für Leichtbau

Beschreibung neuer Konstruktionsprinzipien zur Reduzierung des Gesamtgewichtes durch Einsatz von alternativen Materialien.

Zielsetzung: Reduzierung des Gesamtgewichtes, Erhöhung der Lebensdauer und Gewährleistung der Sicherheit von tragenden Strukturen. Der Einsatz von Leichtbauprinzipien bei Elektroautos ermöglicht es, das Mehrgewicht der Batterie zu kompensieren, den Verbrauch zu senken und die Sicherheit und Lebensdauer trotzdem zu gewährleisten.

Mit der CADFEM-Lösung lässt sich die genaue Abbildung von Composite und Verbundwerkstoffen in der Simulation realisieren.

CADFEM-Lösung für Fahrzeugdynamik

Beschreibung des Fahrverhaltens von Elektrofahrzeugen.

Zielsetzung: Abstimmung der Komponenten des Elektrofahrzeuges für eine intelligente Verbrauchsoptimierung.

Das Wissen über alle Detailkomponenten und dessen Integration erlaubt eine Prognose des Verbrauchs und die Realisierung einer adaptiven Steuerung des Fahrverhaltens. Die CADFEM-Lösung verknüpft alle Verhaltensmodelle und ermöglicht das Design einer optimalen Regelung des Gesamtfahrzeugverhaltens mit dem ANSYS-Systemsimulator Simplorer.

HybridElectricVehiclePropulsion [3.9MB]

CADFEM-Lösung für "Elektro-Tankstellen"

Beschreibung der Infrastruktur zur berührungslosen oder kabelgebundenen Energieübertragung von Elektromobilen Ziel ist die optimale Auslegung der Ladestationen für Elektromobile.

Zielsetzung: Optimale Auslegung der Ladestationen für Elektromobile.

Je nach Einsatzgebiet eignen sich kabelgebundene und damit stationäre Verfahren oder alternative kontaktlose Methoden, die auch für einen Einsatz während der Fahrt geeignet sind.

Die CADFEM-Lösung beinhaltet umfassende Tools zur elektromechanischen Beschreibung von Steckverbindungen und Zuleitungen der "Elektro-Tankstelle" (ANSYS Mechanical). Etablierte numerische Feldberechnungsmethoden erlauben die detaillierte Analyse induktiver Ladevorgänge mit den ANSYS-Werkzeugen Maxwell, Simplorer und Q3D.

CADFEM-Lösung für Smart Grid

Beschreibung eines intelligenten verbrauchsorientierten Energiemanagements elektromobiler Anwendungen.

Zielsetzung: Entwicklung eines intelligenten Energienetzes (Smart Grid) zur Versorgung dezentraler Verbraucher unter Berücksichtigung der Bedarfsschwankungen.

Der Systemsimulator Simplorer ermöglicht die echtzeitnahe Beschreibung des Energieversorgungsnetzes von der Erzeugung, Speicherung, Verteilung bis zum Verbraucher. Die Besonderheit dieser CADFEM-Lösung basiert auf der Integration ordnungsreduzierter Modelle, die aus detaillierten FEM-Modellen abgeleitet werden.