Simulation ist mehr als Software

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Multiphysikalische Simulation in der Batterieentwicklung

KTM – The Magic of e-Ride

KTM ist einer der größten Motorradhersteller Europas. Anspruch von KTM ist, die Grenzen von Leistung und Innovation immer weiter zu verschieben und Maßstäbe zu setzen. Eine große Rolle spielt in allen Phasen der Entwicklung die Simulation mit Ansys und CADFEM-Unterstützung. Auch im jungen Segment der eMotorräder, das neue Herausforderungen hervorbringt.

Simulation gehört zur DNA von KTM

Beim Designprozess eines Motorrads kommen viele Einflussfaktoren zusammen. KTM forscht und entwickelt daher sehr simulationsgetrieben. Garant dafür ist ein interdisziplinär aufgestelltes Simulationsteam mit Fachwissen in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, von der Strukturmechanik über Verbundwerkstoffe bis hin zur Aero- und Thermodynamik. Das breite Kompetenzspektrum macht KTM unabhängig und erlaubt es, neue Herausforderungen agil und mit hoher Effizienz anzugehen.

Aufgrund immer neuer Herausforderungen und technischer Anforderungen wächst die Simulationsabteilung bei KTM stetig und hat durch eine Ansys Corporate License Zugriff auf alle Ansys-Software-Werkzeuge.  Zusätzlich bieten eigene leistungsstarke Rechenressourcen, wie u.a. ein HPC-Cluster, alle technologischen Voraussetzungen für eine hochprofessionelle virtuelle Produktentwicklung nach aktuellen Standards.

Last but not least: Auch die lange Partnerschaft mit CADFEM ist ein Faktor für die erfolgreiche Implementierung und Nutzung der Simulation. Sie geht weit über die Beschaffung von Soft- und Hardware hinaus. Denn sie umfasst neben Aus- und Weiterbildung der Anwender auch den Hotline-Support, den regelmäßigen fachlichen Austausch sowie die Unterstützung bei besonders komplexen Simulationsaufgaben oder wenn Neuland betreten wird.

Über KTM

KTM baut mit viel Einsatz sowie voller Hingabe und höchstem Fokus Motorräder, die ihre jeweiligen Klassen dominieren. Bei KTM ist man überzeugt davon, dass die beeindruckenden Zahlen und Fakten, die das Unternehmen vorweisen kann, das Resultat harter Arbeit und ein Zeugnis des Erfolgs sind – nicht nur der Grund der Geschäftstätigkeit. www.KTM.com

Der Anspruch von KTM ist, auch im Bereich der E-Mobilität Ausrufezeichen zu setzen.

Mehr als ein Trend: E-Mobilität auf 2 Rädern

Die Nachfrage nach elektrisch angetriebenen Motorrädern steigt. Der Anspruch von KTM ist, auch im Bereich der E-Mobilität Ausrufezeichen zu setzen und zu wachsen. Dazu gehört, Spitzenleistungen zu erzielen und Kunden das technisch und emotional bestmögliche Erlebnis zu bieten - nur ohne die Emissionen und den Lärm eines Verbrennungsmotors. Dies sind entscheidende Faktoren für eine hohe Akzeptanz, im urbanen genauso wie im Off-road-Segment.

Beim Start in das Thema E-Mobilität konnte KTM auf die eigene Expertise in der Motorradentwicklung bauen: Denn man weiß, auf was es ankommt, bei der Fahrgestell- und Fahrwerkskonstruktion oder generell bei der Gestaltung effizienter Entwicklungsprozesse. Es galt nun, die besten Wege bei den neu hinzugekommenen Herausforderungen zu finden, die im Wesentlichen die Konstruktion und Entwicklung von Elektromotor und Traktionsbatterie sind.

Inspiriert vom Weltrekord

Bei der Batterie ist das Wärmemanagement das zentrale Thema. Ziel des hier vorgestellten Projektes war, einen generellen, d.h. auf verschiedene Modelle skalierbaren Simulations-Workflow zu implementieren. Er sollte Konstruktion, Validierung und Optimierung der Traktionsbatterie virtuell unterstützen.

Inspiriert wurde das Team durch die Volkswagen/Ansys-Kooperation beim Pikes Peak Hillclimb 2018, die zu einer rekordverdächtigen Leistung des Volkswagen ID.R führte und deren technische Hintergründe auf der CADFEM Ansys Simulation Conference 2019 vorgestellt wurden. Maßgeblich war dabei ein Ansys-basiertes Multiphysik-Simulationsmodell für das Batteriepack.

Traktionsbatterie: Nur als gekoppeltes System abbildbar

Der versierte Umgang des KTM-Simulationsteams mit Ansys-Simulationswerkzeugen erleichterte die ersten Schritte. Allerdings wurden Ansys Tools wie Workbench, Mechanical und Fluent bisher zwar für eine große Bandbreite an Simulationsaufgaben, aber zumeist einzeln eingesetzt.

Bei der Traktionsbatterie reichten solche singulären Ansätze nicht aus: Denn die Anforderung an die Simulation war ein aus verschiedenen Modellen gekoppeltes System. Nur damit sind die wichtigen Wechselwirkungen zwischen den physikalischen Phänomenen realistisch abbildbar.

Immerhin: Für den Einstieg in der Vorentwicklung, d.h. erste Konzeptbewertungen, grobe Abschätzungen und Relativvergleiche verschiedener Designs sind separate Simulationen der Temperaturfelder oder des Strömungsverhaltens ausreichend. Um aber die entscheidenden Erkenntnisse für das optimale Batteriedesign zu gewinnen, wie z. B.

  • die Vermeidung von thermischen Hotspots,
  • die Optimierung der Temperaturverteilung oder
  • die beste Konstellation für die effiziente Schnellladung,

ist ein viel komplexeres, nämlich „multiphysikalisches“ Simulationsmodell notwendig. Es muss die Temperaturen in der Batterie unter realistischen Nutzungsbedingungen gesamtheitlich betrachten und vorhersagen.

Systemsimulation mit Ansys Twin Builder

Mit der Unterstützung durch Multiphysik-Experten von CADFEM ist es dem KTM-Team gelungen, einen solchen Simulations-Workflow innerhalb der Ansys Tools zu entwickeln. Als Plattform für die Systemsimulation wurde Ansys Twin Builder gewählt.

Vereinfacht dargestellt setzt sich das Multiphysik-Gesamtmodell für das Batteriepaket aus drei Teilmodulen zusammen, die auf Systemebene miteinander gekoppelt sind und während der Berechnung Eingangs- und Ausgangsdaten austauschen:

  • Ein elektrisches Ersatzschaltbild wird verwendet, um die Wärmeerzeugung in jeder Zelle als Funktion der Zellentemperatur und des Ladezustands zu modellieren.
  • Die resultierenden Verlustleistungen werden in ein kompaktes thermisches Modell (abgeleitet aus 3D FEM-Modellen) eingespeist, welches die Temperaturverteilung innerhalb des Akkus berechnet.
  • Das dritte Teilmodul basiert auf  den Ergebnissen einer CFD-Analyse zur Bestimmung der Wärmeabfuhr durch Konvektion und Strahlung aus dem Batteriegehäuse.

Das thermische Finite-Elemente-Modell wurde in Ansys Mechanical erstellt und vernetzt. Die Berechnungszeit für eine instationäre Simulation ist jedoch aufgrund der großen Anzahl an Freiheitsgraden und der langen instationären Lasten sehr hoch. Um sie zu verkürzen und so die Kopplung mit anderen Modellen auf Systemebene zu ermöglichen, nutzte das Team die von CADFEM genau für solche Konstellationen entwickelte Extension für Ansys „Model Reduction inside Ansys“.

Reduziertes Modell für drastisch beschleunigte Berechnung

Dieses Spezialtool ermöglicht die Extraktion eines reduzierten Modells (Reduced-Oder Model; ROM) aus Ansys Mechanical mit erheblich weniger Freiheitsgraden und beschleunigt so die Lösung drastisch. Das ROM des Batteriepacks wurde anhand der instationären Simulation eines vollständigen 3D-Modells verifiziert, um die Genauigkeit im Blick zu behalten und die optimalen Parametereinstellungen für die Modellordnungsreduktion innerhalb der CADFEM-Extension zu ermitteln.

Das elektrische Modell basiert auf einem Ersatzschaltbildmodell (Equivalent Circuit Model; ECM), mit dem die elektrische Leistung und die Verluste der Lithium-Ionen-Zellen in Abhängigkeit von Ladezustand und Temperatur berechnet werden können. Um das ECM zu verwenden, müssen zunächst seine Parameter für die gewünschte Zelle ermittelt werden. Dies geschieht in der Regel durch eine Reihe von experimentellen Tests mit der Batteriezelle in einem Temperaturbereich innerhalb des angestrebten Designs und durch Messung der Spannungsantwort.

Die erforderlichen Parameter für die Schaltungskomponenten können dann aus den Testdaten extrahiert werden und ermöglichen es, das momentane und dynamische Verhalten der Zelle zu modellieren.

KTM und CADFEM

KTM und CADFEM verbindet eine sehr lange Partnerschaft.

Schon vor über 10 Jahren wurde die Zusammenarbeit und die Nutzung von Ansys Simulationen im F&E-Team etabliert. Außer für die Beschaffung von Soft- und Hardware setzt KTM auch bei Ausbildung und Support der Anwender auf CADFEM. Zudem besteht ein regelmäßiger fachlicher Austausch zwischen den KTM- und CADFEM-Simulationsexperten, auch kommt es immer wieder zu gemeinsamen Projekten.

Fundierte Entscheidung: Battery Wizard-Toolkit

Die KTM Forschung und Entwicklung verfügt über die erforderlichen Testeinrichtungen, um auch die notwendigen physikalischen Zelltests selbst durchzuführen. Auf dieser Basis konnte eine Zellendatenbank geschaffen werden, die für unterschiedlichste Optionen und Varianten ausgerüstet ist, die für ein bestimmtes Projekt in Frage kommen. Die während der Impulsentladungen bei verschiedenen Temperaturen gemessenen Testdaten werden in das Battery Wizard-Toolkit in Ansys Twin Builder importiert, das automatisch die erforderlichen Parametertabellen des ECMs für jede Zelle erstellt.

Dies bietet später die Möglichkeit, schnell zwischen verschiedenen Zellen im Systemmodell zu wechseln und unterstützt das Designteam bei der Entscheidungsfindung. Außerdem kann der Wizard, nachdem die ECM-Tabellen für eine einzelne Zelle erstellt wurden, ein elektrisches Modell für das Batteriemodul konfigurieren, indem er die ECMs der Zellen entsprechend der Pack-Spezifikation parallel und in Reihe schaltet. Dieses ECM-Modul wird später in der endgültigen Twin Builder Systemsimulation implementiert und gekoppelt. Die zugrundeliegenden Python-Skripting-Fähigkeiten in Twin Builder boten eine effiziente Methode, um die Modelle mit den entsprechenden Ausgängen zu verbinden.

Zudem wurde das gekoppelte Modell, das die Vorteile separater Simulationen kombiniert, iterativ validiert. Dieser Prozess beinhaltete sowohl Abgleiche mit Messungen bei Konstantstrom als auch dynamischer Entladung. Die verschiedenen Schritte reichten von den Validierungen der Ausgangsspannung des ECM für eine Einzelzelle  bis zur vorhergesagten Spannung und Temperatur der gesamten Batterie. Für eine einzelne Zelle wies die vorhergesagte Ausgangsspannung einen Fehler von weniger als 20 mV auf. Für das Gesamtmodell des Batteriepacks wurde für bestimmte Fahrzyklen eine Temperaturabweichung von unter 2 °C im Vergleich zu den gemessenen Zelltemperaturen erreicht.

Auch für die komplexesten und größten Modelle wird die Berechnung stundenlanger Fahrzyklen echtzeitnah gelöst.

Zuverlässige Vorhersage unterschiedlicher Szenarien

Nach der vollständigen Implementierung in Twin Builder konnte das elektrothermische Modell des Akkupacks reale Fahrzyklen simulieren und Ausgangsdaten wie Spitzentemperaturen, Temperaturverteilung und Wärmeübertragung vorhersagen. Auch für die komplexesten und größten Modelle wird die Berechnung stundenlanger Fahrzyklen echtzeitnah gelöst, während einfachere Modelle innerhalb von Minuten fertiggestellt werden. Mit Hilfe des virtuellen Batteriepacks konnten mögliche Probleme frühzeitig erkannt und beseitigt, Konstruktionsentscheidungen zügig getroffen werden.

Das Modell wurde verwendet, um die für die Konzeptbewertung relevanten Lastfälle zu berechnen, wie z.B.

  • Fahrzyklen aus realen Messungen
  • standardisierte Spezifikationen, z.B. WMTC (World Motorcycle Test Cycle)
  • CC-CV-Ladung

Aufgrund der Genauigkeit der vorhergesagten absoluten Werte erleichtert die Batteriesimulation die Entscheidungsfindung bei wichtigen Konstruktionsfragen. Eine davon betrifft zum Beispiel die Luftkühlung des Akkupacks, bei der das virtuelle Modell zur Bewertung der Kompromisse zwischen verschiedenen Konzepten für die Geometrie des Akkupack-Gehäuses sowie das Design der Motorradverkleidung verwendet wird.

Dies ermöglichte die Optimierung des gesamten Kühlungskonzepts und der Luftströmung zum Pack, um den besten Wirkungsgrad zu erzielen. Dennoch wurden zu den wichtigen Meilensteinen physische Prototypen des Batteriepacks gebaut, um Tests für Validierung und zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen durchführen zu können. Das Vorhandensein eines realitätsgetreuen virtuellen Batteriemodells ermöglichte es dem KTM-Entwicklungsteam aber, den Zeit- und Kostenaufwand für physische Tests im Entwicklungsprozess erheblich zu reduzieren.

KTM FORSCHUNGS UND
ENTWICKLUNGS GMBH

David Singer
www.ktm.com

Autoren: David Singer (KTM F&E), Lucas Kostetzer (CADFEM Germany GmbH)
Bilder: © KTM F&E
Veröffentlicht: Juni 2022

Contact CADFEM

Lucas De Andrade Kostetzer