Batterie Simulation und -emulation mit dem
BaSiS - Battery Simulation Studio

Simulationsmodelle für Blei-Säure oder Li-Ionen Batterien können je nach Modellierungsansatz verschieden aufgebaut sein. Sie beinhalten immer Gleichungen oder Gleichungssysteme.

Ein Simulationsmodell für Batterien hat immer Eingangsgrößen (z.B. Strom und Umgebungstemperatur) und Ausgangsgrößen (z.B. Spannung), die anhand der zu Grunde liegenden Gleichungen und anhand des aktuellen Batteriezustandes (z. B. SOC) berechnet werden.

Weiterhin sind für ein Modell auch immer Parameter notwendig, die sich für die spezifischen Batterien unterscheiden. Bei einigen Modellierungsansätzen können Parameter in Form von Kennlinien hinterlegt werden, um diese während der Simulation  z. B. temperaturabhängig nachzuführen. Bei anderen Modellen werden die physikalischen Vorgänge dargestellt.

Bei einem Modell handelt es sich immer um eine vereinfachte Abbildung der Realität, da die genaue Beschreibung der Realität oftmals zu komplex ist. Prinzipiell besteht die Schwierigkeit bei einer Batteriesimulation zunächst also darin den für die spezifische Fragestellung richtigen Modellierungsansatz und die zulässigen Modellvereinfachungen zu wählen. Dabei muss insbesondere bei der Anwendung in der Industrie ein entsprechendes Kosten-/Nutzenverhältnis gegeben sein. Hat man den entsprechenden Modellierungsansatz gewählt, besteht die Herausforderung in der Modellentwicklung, Implementierung und Parametrierung.

Bei den BaSiS-Modellen kann der Anwender über einen Steuerungsparameter zwischen höherer Genauigkeit und höherer Rechengeschwindigkeit wählen. Aus den genannten Gründen sind daher keine absoluten Angaben zur Präzision möglich.

Die Modelle wurden anhand eines 6-stufigen Prozesses entwickelt:

1. Problemverständnis erlangen
2. Auswahl des Modellierungsansatzes
3. Modellentwicklung
4. Simulation
5. Validierung der Simulation
6. Weiterentwicklung bzw. weiterer Durchlauf der Schritte 3.-5.

Die Modelle beschreiben die aktuell bekannten und relevanten physikalisch / elektrochemische Prozesse in den Li-Ionen und Blei-Säure Zellen. Je nach Branche kann das Modell Entwicklungsprozesse in der Industrie auf verschiedene Art- und Weise unterstützen.

Batteriehersteller:

Durch Änderung der konstruktiven Daten einer Zelle (Schichtdicken, Zellaufbau) und Änderung der Zellchemie mit nur wenigen Mausklicks kann ein Hersteller teilweise auf den Bau und das Prüfen von Batteriemustern verzichten und dadurch Geld sparen. Weiterhin kann ein Hersteller detaillierte Einblicke in die Vorgänge der Batterie erhalten und so Optimierung am Zelldesign und in der Fertigung vornehmen. Auch ist die Untersuchung von Sensitivitäten gegenüber einzelnen Parametern möglich.

Automobilhersteller und Zulieferer:

In der Automobilindustrie werden Hardware-in-the Loop (HIL) Systeme eingesetzt, um Prüfungen schnell und kosteneffizient durchzuführen. Dabei wird ein realer Prüfling (z.B. E-Kfz, Batteriemanagementsystem) an ein emuliertes Batteriesystems angeschlossen. Der Vorteil einer Batterieemulation ist, dass beliebige Batteriezustände innerhalb weniger Sekunden eingestellt werden können, wohingegen dieses mit realen Systemen einige Stunden bis Tage dauern kann. Da der eigentliche Test dann teilweise sehr schnell abläuft, kann man durch den Einsatz eines Batterieemulator hier sehr viel Zeit und Geld einsparen. Weiterhin kann der Einfluss gealterter Batterien schnell untersucht werden, während bei realen Test noch längere Zeiträume notwendig wären.