BaSiS – BATTERY SIMULATION STUDIO

Entwicklungsptimierung für Batteriesysteme

Sparen Sie mit dem BaSiS aufwendige Messreihen,
sie beschleunigen Entwicklungsprozesse von Batterien, batteriebasierten Systemen und Ihren Einsatzszenarien.

Profitieren auch Sie von unserer Erfahrung!

Nehmen Sie KONTAKT zu uns auf und lassen Sie sich eine Batteriesimulation vorführen. LIVE AN IHREM PC!

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

© Fraunhofer IEE

Das am Fraunhofer IEE entwickelte BaSiS - Battery Simulation Studio bietet eine Simulationsumgebung für Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien. Diese  wird in industrieller und vorindustrieller Forschung unter anderem von Automobil- und Batterieherstellern schon seit Jahren erfolgreich eingesetzt.

Das Echtzeit-Modul dieser Lösungen wird zur Emulation von Batterien (virtuelle Batterie) in realen Testumgebungen verwendet, um das Klemmenveralten realer Batterien für beispielsweise Hardware-in-the-Loop-Prüfstände (HIL) sehr präzise nachzubilden. Dadurch sind schnell und kostengünstig Hardwaretests möglich, die sonst nur sehr aufwändig und zeitintensiv zu realisieren sind.

Unsere Produkte

Batteriesimulationen ersparen aufwändige Messreihen und helfen Entwicklungsprozesse von Batterien, batteriebasierten Systemen und Ihren Einsatzszenarien zu beschleunigen.

Simulation von Lithium-Ionen Batterien

BaSiS LIB

Das BaSiS LIB Modul simuliert alle relevanten physikalischen und elektrochemischen Vorgänge in Li-Ionen Batterien unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen.

Als Grundlage dienen konstruktive Daten sowie charakteristische Parameter der Zellchemie.

Simulation von Blei-Säure Batterien

BaSiS LAB

Das BaSiS LAB Modul simuliert alle relevanten physikalischen und elektrochemischen Vorgänge in Blei-Säure Batterien unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Als Grundlage dienen konstruktive Daten sowie charakteristische Parameter der Zellchemie.

Emulation von Batterien

VIRTUAL BATTERY

Batterie-Emulationen (virtuelle Batterie) erlauben das testen und prüfen von Hardwareverhalten bei unterschiedlichem Batterieverhalten, liefern so wichtige Erkenntnisse, die ohne diese Technologie nicht oder nur mit sehr hohem personellen und zeitlichen Aufwand möglich wären.

Batteriemanagementsystem-Tests

BMST

Eine Emulation von Einzelzellen zur Prüfung von Batteriemanagementsystemen mit einer Vielzahl von Kanälen besteht aus der Kombination bidirektionaler Netzteile und eines Rechenclusters zur Simulation der Batteriemodelle.

BaSiS LIB

Eigenschaften

  • Nichtlineares Modell
  • Vorhersage des Klemmenverhaltens
  • Hohe Genauigkeit über den gesamten Betriebsbereich
  • Simulation beliebiger Batteriezustände
  • Einblick in die inneren Vorgänge
  • Test von Zustandserkennungsalgorithmen für Batteriemanagementsysteme
  • Bewertung von Zellkonzepten

 

BaSiS LAB

Eigenschaften

  • Nichtlineares Modell
  • Vorhersage des Klemmenverhaltens
  • Hohe Genauigkeit über den gesamten Betriebsbereich
  • Simulation beliebiger Batteriezustände
  • Einblick in die inneren Vorgänge
  • Bewertung von Zellkonzepten
  • Parametrierung über konstruktive Daten
  • Echtzeitvariante für Hardware-in-the-Loop Prüfstände verfügbar

 

VIRTUAL BATTERY

Eigenschaften

  • Schnelle Auswahl von Batterien, Initialzuständen und Umgebungstemperaturen
  • Klimakammer für die Temperierung der Batterie wird unnötig
  • Exakte Reproduzierbarkeit und Geringere Sicherheitsanforderungen beim Testen
  • Untersuchung externer elektrischer Komponenten unter Berücksichtigung batterieinterner Vorgänge
  • Einfacher Vergleich und Qualifizierung von Komponenten verschiedener Anbieter
  • Verfügbar für Lithium-Ionen / Blei-Säure Batterien

BMST

Eigenschaften

  • Batteriemanagementsystem-Prüfungen mit Master und Slaves möglich
  • Schnelle Auswahl von Batterien, Initialzuständen und Umgebungstemperaturen für jede einzelne Zelle
  • Exakte Reproduzierbarkeit
  • Untersuchung elektrischer Komponenten des BMS unter Berücksichtigung batterieinterner Vorgänge
  • Prüfung von Algorithmen

 

Weitere Informationen

Fragen Sie uns!

Wir beraten Sie gerne in einem ersten unverbindlichen Informationsgespräch
und präsentieren Ihnen unsere Lösungen
direkt an Ihrem PC.

Wir parametrieren Ihr Ersatzschaltbild-Batteriemodell

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Beratung

Wir beraten Sie gerne zur Simulation und Emulation von Batterien.

Durch unsere über 15-jährige Expertise können wir Sie bezüglich der unterschiedlichen Modellierungsansätze, Einsatzgebiete sowie der dazugehörigen Parametrierung speziell für Ihre Anwendung umfassend beraten.

 

Parametrierung

Zur Simulation und Emulation von Batterien werden je nach Modellierungsansatz Parameter für die zu modellierende Zelle benötigt. Wir führen diese Parametrierungen für Ihr Ersatzschaltbild-Batteriemodell sowie eine anschließende Validierung durch.
Für die von uns entwickelten White-Box Batteriemodelle werden auch die konstruktiven Parameter Ihrer Zelle benötigt, welche wir für Sie ermitteln können.

Softwareanpassungen

Um unsere Batteriemodelle zielgerichtet in Ihre Simulations- oder Prüfumgebung zu integrieren, bieten wir Ihnen individuelle Softwareanpassungen an unserem Batteriemodell.

 

Seminare

Sie möchten Ihrem Team eine qualifizierte Weiterbildung zur Simulation und Emulation von Batterien und ihrem Einsatz bei realen Praxisfällen bieten? Sprechen Sie uns an und wir passen das Seminar an die von Ihnen gewünschten Themengebiete, dem Vorwissen Ihres Teams und Ihre Ziele an.

Technologie

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.

 

Modelle

Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Ansätze, die man für eine Batteriemodellierung wählen kann. Dabei wird zwischen sogenannten Black-Box, Grey-Box und White-Box Modellen unterscheiden.

Black-Box

Bei den Black-Box Modellen benötigt man nahezu keine Kenntnisse über das System, welches modelliert wird, jedoch werden relativ umfangreiche und zeitaufwendige Messungen im Labor zur Parametrierung der Modelle benötigt. Nachteil dieses Modellierungsansatzes ist, dass der Nutzer keinen Einblick in das System erhält und auch kein weitergehendes Verständnis über das System Batterie erlangt. Vorteil dieses Ansatzes ist jedoch eine schnelle Rechen-geschwindigkeit. Diese Modelle werden für die Batteriemodellierung aktuell relativ selten eingesetzt.

Grey-Box

Bei dem Grey-Box Ansatz, typischerweise in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes, hat ein Teil der Modellparameter eine physikalische Bedeutung, ein anderer Teil nicht. Auch bei diesem Modellierungsansatz kann nur das Ein-/Ausgangsverhalten einer Batterie betrachtet werden und es sind keine Einblicke in das System Batterie möglich.

Dieser Ansatz besitzt eine hohe Rechengeschwindigkeit.
Allerdings beschreibt dieser Ansatz das stark nicht-lineare Batterieverhalten nur gut in einem bestimmten Betriebspunkt und nicht über den gesamten Betriebsbereich der Batterie, also SOH, SOC, I, T.

 

White-Box

Bei dem White-Box Ansatz beschreibt man die in einer Batterie physikalisch /elektrochemisch auftretenden Vorgänge anhand von partiellen Differentialgleichungen. Jeder Modellparameter besitzt also eine physikalische Bedeutung. Daher sind auch Einblicke in die Batterie selber möglich, die ohne ein Simulationsmodell nicht möglich wären. Für die Entwicklung eines solchen Modells ist ein genaues Systemverständnis der Batterie notwendig. Dieser Ansatz ist typischerweise rechenintensiver als die zwei vorherigen Ansätze, beschreibt jedoch das nicht-lineare Batterieverhalten über den kompletten Betriebsbereich.

Unsere Modelle für Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Akkumulatoren

Die BaSiS-Modelle für die Technologien Lithium-Ionen-Batterien (LIB) und Blei-Säure-Batterien (LAB) wurden anhand des White-Box Ansatzes entwickelt, da alle Batterien stark nicht-lineare Systeme sind und eine große Abhängigkeit von der Temperatur, dem SOH, dem SOC und dem Strom besitzen. "Mit hoher Präzision" bedeutet also, dass das Modell genau diesen Bereich abdecken kann und die Simulationsgenauigkeit für die jeweilige Anwendung präzise genug ist. Weiterhin gibt es für den Vergleich von Batteriemodellen bisher keinen einheitlichen Standard in Form von Strom- und Temperaturprofilen.

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.

Dazu folgende Beispiele:

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.

 

Beispiele

Unsere 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.

Referenzen

Infomaterial

Produktdatenblätter

Hier finden Sie Produktdatenblätter mit ausführlichen Informationen zu unseren Produkten und Leistungen in deutscher, englischer und chinesischer Sprachen im PDF-format als Download.

Presseinformationen

 

15.9.2015

HIL-Batteriesimulator und induktives Ladesystem für die E-Mobilität

11.3.2015

Neue Features für das Batteriesimulationsmodell des Fraunhofer IEE

11.3.2015

Simulationstool für neue und gealterte Batterien

Aktuelle Veranstaltungen

 

Hannover Messe

23.-27.04.18

Halle 27 | Stand B67

 

11.6.2018

ECCM

11.- 15.06.18 | Glasgow UK

6th European Conference on Computational Mechanics (Solids, Structures and Coupled Problems)

12.6.2018

Kolloquium Future
Mobility

12.06.18 | Ostfildern/Stuttgart

»Direktgekoppelter hybrider Energiespeicher für Elektrofahrzeuge – Entwicklung, Systemintegration, Energie& Thermomanagement«

3.7.2018

Seminar
Batteriesimulation

Das Fraunhofer IEE (ehemals IWES) und die virtuelle Batterie

Interview mit Matthias Puchta

Fraunhofer-Alllianz Batterien

Veröffentlichungen

  • Using a Newman-based battery model and post mortem analysis to develop a non-destructive method for SoH estimation
    Schledde, D.; Leiva, D.; Schwalm, M.; Puchta, M.; Nikolowski, K.; Wolter, M.
    Kraftwerk Batterie, Aachen 2016
  • Simulationsstudie zu thermisch gekoppelten, inhomogenen Lithium-Ionen Zellen im Batteriepack
    C. Kettenring, M. Puchta, D. Schledde, Dr. rer. nat. M. Schwalm
    4. Symposium Elektromobilität, Ostfildern/Stuttgart, Juni 2015
  • Accelerated Devlopment and Test of BMS Using an Emulation Based HIL
    D. Schledde, M. Schwalm, C. Kettenring, u.a.
    Kraftwerk Batterie, Aachen 2015
  • Modellierung und Simulation von Li-Ionen Batterien
    M. Puchta, M. Schwalm, D. Schledde
  • 5. Symposium Test und Qualifizierung für Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellentechnik, Vötsch 2013
  • Virtuelle Batterien in der Entwicklung von Elektrofahrzeugen
    M. Puchta, D. Schledde
    Digital Engineering Magazin 8/2011, Win-Verlag GmbH & Co. KG, pp. 24. Juni 2011

 

Referenzen

 

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Contact Press / Media

Dipl.-Ing. Matthias Puchta

Abteilungsleiter Energiespeicher

Königstor 59
34119 Kassel

Telefon +49 561 7294-367

Fax +49 561 7294-100