Mit dem Virtual Twin Einblicke in die Batteriealterung gewinnen
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Alterungsprozesse der Zelle äußern sich in reduzierter Kapazität, die zu einer geringeren Reichweite des Fahrzeugs führt. Durch die Alterung steigt außerdem der interne Widerstand der Batterie. Dieser Innenwiderstand führt zu erhöhten Verlusten, welche zusätzliche Wärme in der Batterie erzeugen.
Primär unterscheidet man bei Batteriealterung zwischen zwei Arten: das kalendarische und das zyklische Altern. Die kalendarische Alterung beschreibt den allmählichen Abbau von Leistung und Kapazität über die Zeit. Dieser Prozess wird von verschiedenen Lagerungsbedingungen beeinflusst, darunter insbesondere der Temperatur und dem Ladezustand der Batterie. Eine zu hohe oder zu niedrige Außentemperatur beschleunigt beispielsweise den kalendarischen Alterungsprozess.
Das zyklische Altern hingegen ergibt sich aus der Art und Weise, wie die Batterie betrieben wird, insbesondere durch die Durchführung von Lade- und Entladezyklen. Die Betriebsbedingungen während des Ladevorgangs können die Lebensdauer der Batterie erheblich beeinflussen.
Ein weiterer wichtiger Faktor, der sich auf die Alterung der Batterie auswirkt, ist die Materialwahl. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Zyklenstabilität und Energiedichte. Zum Beispiel weist die aktuell beliebte LFP-Batterie (Lithium-Phosphat) eine höhere Zyklenstabilität auf als die klassische NMC-Batterie (Nickel-Mangan-Cobalt), jedoch bei geringerer Energiedichte.
Die primären Alterungsmechanismen der Batterie
Lithium Plating ist ein Phänomen, das sich während der Ladung bei niedrigen Temperaturen entwickeln kann. Dabei bilden sich auf der Anode Dendriten aus metallischem Lithium, wodurch weiterer Ionentransport verhindert wird. Diese Dendriten können sich auch in Richtung der anderen Elektrode ausbreiten und den Separator perforieren, was zu einem internen Kurzschluss führt. Der Verlust des aktiven Materials ist ein weiterer Effekt der Alterung, bei dem das Material nicht mehr für den Ladungstransport zur Verfügung steht und somit in der Batterie zu sogenanntem „Totmaterial“ wird, was ihre Leistungsfähigkeit weiter beeinträchtigt.
Relevante Betriebsbedingungen für die Batteriealterung
Die Betriebsbedingungen spielen eine entscheidende Rolle für die Alterung von Batterien und beeinflussen maßgeblich ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer.
Die Betriebstemperatur ist ein wesentlicher Faktor, der sich auf das Altern der Batterie auswirkt, insbesondere während des Ladevorgangs. Um ein effizientes Schnelladen zu gewährleisten, ist es daher von großer Bedeutung, dass die Batterie sich bereits im idealen Temperaturbereich befindet oder vor dem Ladevorgang entsprechend geheizt oder gekühlt wird.
Ein weiterer Aspekt ist die Ladeleistung. Eine hohe Ladeleistung bedeutet hohe Ströme, die wiederum bei niedrigen Temperaturen die Batterie altern lassen können. Aus diesem Grund ist es ratsam, bei niedrigen Temperaturen langsam anzufangen und die Ladeleistung anzupassen, bis die Batterie aufgeheizt ist, um so eine zu schnelle Alterung zu vermeiden.
Die Lade-Entlade-Zyklen sind ebenfalls von großer Bedeutung für die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie. Häufig wird angegeben, wie viele Zyklen bis zum Lebensende der Batterie garantiert werden. Um die zyklische Alterung zu verringern, ist es empfehlenswert, nur im optimalen Bereich aufzuladen und das Ladefenster auf einen Bereich zwischen 20 bis 80 Prozent zu verschieben. Eine geringere Entladungstiefe führt zu einer exponentiellen Steigerung der Zyklenstabilität. Dadurch wird die Batterie weniger gestresst und es werden keine Alterungsreaktionen ausgelöst, die sich durch nicht-reversible chemische Prozesse wie Gasbildung und Elektrolytverlust äußern können.
Die Berücksichtigung dieser Betriebsbedingungen ist entscheidend für die Entwicklung von Batterien mit verbesserter Leistung und Lebensdauer. Zu diesem Zweck können Simulationsmodelle eingesetzt werden, um die Auswirkungen verschiedener Betriebsbedingungen auf die Batteriealterung vorherzusagen und die Entwicklung von effizienten Betriebsstrategien zu unterstützen.
Die Vorhersage des Alterungszustands der Batterie ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung effizienter und langlebiger Batteriesysteme. Simulationsmodelle spielen dabei eine zentrale Rolle, um die Auswirkungen verschiedener Betriebsbedingungen auf die Alterungsprozesse vorherzusagen und entsprechende Optimierungsstrategien zu entwickeln.
Wir bieten fortschrittliche Lösungen mit elektrochemischen Modellen an, die es ermöglichen, Langzeitsimulationen mit minimalem Aufwand durchzuführen. Diese Simulationsmodelle sind in der Lage, die internen Zustände der Batterie zu schätzen und zu berechnen, was bei herkömmlichen physischen Tests am Prüfstand nicht möglich ist.
Ein wichtiger Indikator für die Batteriealterung ist das Anodenpotenzial, das am Prüfstand nicht gemessen, aber in Simulationen berechnet werden kann. Die Simulation der Zellalterung ermöglicht es, Ladekurven zu optimieren und Alterungsprozesse wie Lithium Plating zu vermeiden, indem die Leistung, etwa beim Schnelladen, nahe am Limit bleibt, ohne es zu überschreiten.
Durch die Simulation von Lade- und Entladestrategien sowie die Anpassung von Ladeprofilen an ein validiertes Alterungsmodell können Fragen zur Zyklenstabilität über einen langen Zeitraum beantwortet werden. Dies ermöglicht es, mehrjährige Betriebszeiträume zu simulieren und fundierte Aussagen über die Lebensdauer der Batterie zu treffen.
Die Parametrisierung des Alterungsmodells erfolgt basierend auf den Daten einer gealterten Zelle und wird durch den Vergleich mit den Alterungskurven der echten Zelle validiert. Sobald nur noch zu vernachlässigende Abweichungen zwischen den Kurven festgestellt werden, kann der Prüfstand abgeschaltet werden und die Simulation eigenständig weiterlaufen. Nach der Entkoppelung von der Simulationsmodelle vom Prüfstand, lassen sich (hardwareabhängig) rund sechs Monate Echtzeit in einem Monat simulieren, was zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führt.
Die wachsende Bedeutung von Simulation im Batterieentwicklungsprozess geht Hand in Hand mit der fortlaufenden Suche nach optimalen Materialien für Batterien. Materialien wie LFP (Lithium-Eisenphosphat) gewinnen zunehmend an Beliebtheit aufgrund ihrer höheren Zyklenstabilität, ihrer Sicherheit und ihrer längeren Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Zellchemien. Gleichzeitig entwickeln sich auch die Simulationswerkzeuge kontinuierlich weiter und werden immer besser darin, Effekte der Materialauswahl sowie Alterungsprozesse abzubilden und zu parametrieren.
Obwohl herkömmliche Prüfstandtests nach wie vor eine wichtige Rolle spielen, bietet die Integration von Simulationstechnologien die Möglichkeit, Zeit und Kosten zu sparen und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Durch die Kombination von Prüfstandtests mit Software-in-the-Loop Systemen können Batterieentwickler fundiertere Entscheidungen treffen und die Leistungsfähigkeit ihrer Batteriesysteme optimieren. Dies führt zu einer beschleunigten Markteinführungszeit und unterstützt die kontinuierliche Weiterentwicklung von Batterietechnologien für eine nachhaltigere Zukunft