Entwurfsumgebung für sichere 1st- und 2nd-Life-Batteriesysteme mit kontrollierbarer thermischer Propagation

Das übergeordnete Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Demonstration einer Entwurfsumgebung basierend auf Software Werkzeugen für 1st-Life-Fahrzeugbatteriesysteme sowie 2nd-Life-Speichersysteme, in die Zell- und Komponentenmodelle integriert werden können. Es wird ein Systems Engineering basierter Ansatz verfolgt, der Anforderungen, Funktionen und Architekturen in deskriptiven Systemmodellen abbildet und mit multiphysikalischen Simulationsmodellen verknüpft.

Ein erstes technisches Ziel ist die Entwicklung geeigneter Modelle, die alle für einen sicheren Betrieb relevanten physikalischen Vorgänge ausreichend abbilden können, insbesondere die validierte gekoppelte Modellierung von Partikel und Gasströmungen sowie eine alterungsabhängige Beschreibung der Reaktionskinetik. Weitere Ziele sind die Erforschung und Demonstration von Entwurfsmethoden für Batteriemodule und -systeme, mit denen Freiheitsgrade wie Kühlungstopologien oder die Dimensionierung von Zellzwischenmaterialien mithilfe von Optimierungswerkzeugen bestimmt werden können. Ein zentrales weiteres Ziel ist die Erforschung nachhaltiger, zweistufiger Modellreduktionsprozesse unter Einsatz von Machine Learning Methoden.

Inhaltlich konzentriert sich das Teilvorhaben zunächst auf die Modellierung von Partikel- und Gasströmungen sowie die Erweiterung bestehender Elementarmodelle. Darauf aufbauend werden Modelle von Zellen und Komponenten erstellt und das alterungsabhängige Verhalten beim Durchgehen abgebildet. Parallel dazu werden Entwurfsmethoden für ein teilautomatisiertes Design von Batteriemodulen und -systemen entwickelt, mit denen Freiheitsgrade wie Kühlungstopologien und Zellzwischenmaterialien gezielt variiert und optimiert werden können. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von Modellreduktionsmethoden mit Machine Learning Verfahren und Proper Orthogonal Decomposition als Grundlage für ein zweistufiges Modellreduktionsverfahren: von hochaufgelösten 3D-CFD-Modellen über komplexe 0D/1D-Modelle bis hin zu schnellen Systemmodellen. Abschließend werden die Modelle und Reduktionsverfahren in eine Entwurfsumgebung umgesetzt und in einem Demonstrator an Batterie- und Speichersystemen erprobt.

Die entwickelte Entwurfsumgebung ermöglicht es, 1st-Life-Fahrzeugbatteriesysteme und 2nd-Life-Speichersysteme auf Basis integrierter Zell- und Komponentenmodelle systematisch auszulegen. Durch die Kopplung der deskriptiven Systemmodelle mit multiphysikalischen Simulationsmodellen können sicherheitsrelevante Vorgänge, insbesondere Partikel- und Gasströmungen sowie alterungsabhängige Reaktionskinetik, im Entwurf berücksichtigt werden. Die erforschten Entwurfsmethoden unterstützen die Bestimmung von Freiheitsgraden wie Kühlungstopologien und Zellzwischenmaterialien mithilfe von Optimierungswerkzeugen. Die nachhaltigen, zweistufigen Modellreduktionsprozesse unter Einsatz von Machine Learning Methoden ermöglichen eine effiziente Nutzung der Modelle in der Entwurfsumgebung. Durch die strukturelle Verknüpfung der Modellbibliothek mit dem modellbasierten Systementwicklungsansatz werden Anforderungen, Modelle und Entwurfsentscheidungen konsistent über alle Ebenen hinweg abgebildet und können im Rahmen des Demonstrators praktisch genutzt werden.

Quelle: Institut für Thermodynamik, TU Braunschweig (29.07.2026)