Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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BESTFMU: Modulare Integration in Multiskalen Modelle
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BESTFMU: Ganzheitliche BEV-Systemsimulation: Von der elektrochemischen Zellmodellierung bis zur virtuellen Fahrzeugsimulation

Modulare Integration in Multiskalen-Modelle

Unsere Simulationssoftware BEST unterstützt den Functional Mock-up Interface (FMI) Standard. Dies ermöglicht die Kopplung mit externen Simulationsprodukten, um ganzheitliche Simulationen von batterieelektrischen Systemen, wie z.B. batterieelektrischen Fahrzeugen (Battery-Electric Vehicles / BEV), durchzuführen.

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Ganzheitliche BEV-Systemsimulation: Von der elektrochemischen Zellmodellierung bis zur virtuellen Fahrzeugsimulation

Von der Zell- zur Systemebene: Ganzheitliche Systemsimulation gekoppelt mit elektrochemischer und thermischer Batteriesimulation

Unsere physikbasierte Batteriesimulationssoftware BEST liefert tiefgehende Einblicke in elektrochemische Prozesse und ermöglicht robuste Vorhersagen auf Grundlage physikalischer Modelle. Mit unseren aktuellen Weiterentwicklungen unterstützt BEST nun den Functional Mock-up Interface (FMI) Standard, den mehr als 250 kommerzielle Softwareprodukte nutzen. Dadurch lässt sich BEST modular in ganzheitliche Multiskalensimulationen von batterieelektrischen Systemen integrieren – zum Beispiel von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs).

Der große Vorteil dieses Ansatzes: Während der Systemsimulation stehen die detaillierten, räumlich aufgelösten physikalischen Zustände aus BEST zu jedem Zeitschritt zur Verfügung. So entsteht ein umfassendes Verständnis des Batterieverhaltens im Gesamtsystem.

Unsere Implementierung läuft in einer Container-Umgebung und tauscht Daten über Netzwerkkommunikation aus. Dadurch lässt sich BEST flexibel in unterschiedliche Simulationsumgebungen einbinden – auch wenn die Ausführung auf Remote-Servern oder in der Cloud erfolgt.

Anwendungsbeispiel: BEV-Simulation mit BEST

Als ein mögliches Anwendungsbeispiel zeigen wir hier, wie BEST über den FMI-Standard mit MATLAB®/Simulink® koppeln lässt, um das Systemverhalten eines BEV unter realistischen Betriebsbedingungen vorherzusagen.

Dazu setzen wir in MATLAB®/Simulink® ein einfaches Energiebilanzmodell eines BEV mit vier Blöcken für die zentralen Komponenten um:

  1. Antriebsstrang: Aus einer zeitabhängigen Zielgeschwindigkeit berechnet dieser Block die Leistungsanforderung für die Fahrzeugbeschleunigung auf Basis der Fahrzeugparameter.
  2. Batterie: Der Batterie-Block stellt die benötigte Leistung bereit und nutzt dabei das zugrunde liegende Zellmodell von BEST. Für eine vorgegebene Leistungsanforderung berechnet BEST die elektrische und thermische Antwort der Batterie.
  3. Heizung, Lüftung und Klima (Heating, Ventilation and Air Conditioning / HVAC): Dieser Block modelliert das thermische System. Er hält die Komponenten innerhalb vorgegebener Temperaturgrenzen und fungiert als zusätzlicher elektrischer Verbraucher.
  4. Fahrerkabine: Die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums ist ein weiterer großer Energieverbraucher. Sie ist mit dem HVAC-System gekoppelt und wird von der Umgebungstemperatur beeinflusst.
Blockdiagramm der BEV-Simulation in MATLAB®/Simulink®
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Blockdiagramm der BEV-Simulation in MATLAB®/Simulink®

Kopplung von BEST im Systemmodell und Fahrszenario

Während Antriebsstrang, HVAC und Fahrerkabine direkt in MATLAB®/Simulink® abgebildet werden, entsteht der Digitale Zwilling der Batteriezelle durch die Einbettung von BEST in eine Functional Mockup Unit (FMU), die dem FMI-Standard entspricht. Simulink® übergibt fortlaufend elektrische und thermische Randbedingungen an BEST und erhält im Gegenzug Simulationsergebnisse der Batterie wie Zellspannung, Ladezustand und Wärmeentwicklung.

Für unser Anwendungsbeispiel betrachten wir ein Fahrszenario mit drei Phasen:

  • Standardisierter Fahrzyklus entsprechend des Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle (WLTC) für Klasse-3-Fahtzeuge
  • Autobahnfahrt mit konstant hoher Geschwindigkeit
  • Aufladen des Fahrzeugs

Während der gesamten Simulation speichert BEST seine regulären Simulationsergebnisse. So lässt sich das innere Batteriegeschehen detailliert im Kontext der Systemdynamik analysieren.

 

Zeitliche Systemdynamik aus der BEV-Simulation
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Zeitliche Systemdynamik aus der BEV-Simulation: (a) Geschwindigkeitsprofil und Ladezustand (SoC), (b) Zellspannung und minimales Lithium-Plating-Potenzial, (c) Temperatur verschiedener Systemkomponenten und (d) thermische Leistungen der Batterie and des HVAC-Systems.
Räumlich aufgelöste Lithium-Ionen-Konzentration im Elektrolyten entlang der Dickenrichtung, generiert mit BEST..
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Räumlich aufgelöste Lithium-Ionen-Konzentration im Elektrolyten entlang der Dickenrichtung, generiert mit BEST. Die verschieden farbigen Graphen wurden zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen, siehe vertikale Linien im Geschwindigkeitsplot der zeitlichen Systemdynamik.

Virtuelle Messkampagnen für BEVs

Frühe Versionen dieser BEST-Kopplungsschnittstelle kamen bereits in Kombination mit unserer Simulationssoftware Virtual Measurement Campaign VMC® zum Einsatz, um batterieelektrische Fahrzeuge zu simulieren. Dieser Ansatz kombiniert:

  • die umfangreiche, georeferenzierte VMC®-Datenbank realer Umgebungsdaten
  • ein effizientes Fahrzeugmodell mit VMC® Simulation
  • die hochaufgelösten elektrochemischen und thermischen Batteriemodelle von BEST

So entstehen virtuelle Testfahrten mit BEVs, die deutlich schneller als in Echtzeit ablaufen. Das ermöglicht ein schnelles Bewerten von Fahrzeug- und Batteriekonzepten über eine große Bandbreite realistischer Nutzungsszenarien.

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