In den Vereinigten Staaten verlassen sich Fahrer auf Personenkraftwagen, um jedes Jahr über 3,2 Billionen Meilen zurückzulegen. Die Fahrzeugsicherheit während dieser Fahrten wird vorausgesetzt und ist entscheidend für den Vertrauensaufbau zwischen Automobilherstellern und Verbrauchern.
Da die Einführung von Elektrofahrzeugen (EV) zunehmend an Dynamik gewinnt, arbeitet das National Renewable Energy Laboratory (NREL) mit der Hyundai Motor Company zusammen, um sicherzustellen, dass EV-Batterien sicher und zuverlässig über die Distanz gehen können.
Passagiere und den Planeten schützen
Jedes Fahrzeug auf dem Markt muss strenge Batteriesicherheitsstandards und Vorschriften zum Schutz der Insassen erfüllen. Sowohl das Versicherungsinstitut für Straßenverkehrssicherheit als auch die National Highway Traffic Safety Administration sind zu dem Schluss gekommen, dass Elektrofahrzeuge genauso sicher – wenn nicht sogar sicherer – sind als herkömmliche Fahrzeuge. Bei einer Kollision werden die Batterien von Elektrofahrzeugen automatisch vom Fahrzeug getrennt, um Batterieschäden zu vermeiden. Darüber hinaus weisen aktuelle EV-Fahrzeugdesigns einen niedrigeren Schwerpunkt auf, bieten eine verbesserte Stabilität und verringern die Wahrscheinlichkeit eines Überschlagunfalls. Die fortgesetzte Forschung am NREL zielt darauf ab, die Widerstandsfähigkeit von EV-Batterien weiter zu stärken, indem die thermische Reaktion – oder die Wärmemenge, der die Batterie standhalten kann – verbessert wird, wenn ein Schaden auftritt.
„Unser Ziel ist es zu verstehen, wie mechanische Schäden zu Batterieausfällen und internen Kurzschlüssen führen“, sagte NREL-Forscher Anudeep Mallarapu. „Schäden auf Zellebene lösen in der Regel eine Kettenreaktion innerhalb der Batterie aus. Wenn wir jedoch die erzeugte Wärme kontrollieren, können wir die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens verringern und die allgemeine Batteriesicherheit verbessern.“
Batteriemissbrauchssimulationen informieren über sicherere Designs
Um die Sicherheit ihrer Fahrzeuge zu demonstrieren, führen Automobilhersteller Kollisionsbewertungen durch, um fortgeschrittene Modelle zu entwickeln, die Crash-Reaktionsszenarien für verschiedene Fahrzeugmodelle veranschaulichen. Die Batterieforschung wendet diesen Ansatz in kleinerem Maßstab mit Missbrauchstests an.
Anthony Donakowski, Materialwissenschaftsforscher des NREL, bereitet ein Batterieschlagprüfgerät für eine Demonstration vor. Foto von Werner Slocum, NREL.
Der Schlüssel zum Design langlebiger, zuverlässiger und sicherer EV-Batterien liegt darin, zu verstehen, wie sich Schäden auf das Batteriemodul auswirken. Mit den Batteriedaten können die NREL-Forscher auch prädiktive Batteriemissbrauchsmodelle entwickeln, die sich leicht in bestehende Fahrzeugcrashsimulationen integrieren lassen.
„Die Entwicklung von Modellen für batteriebetriebene Fahrzeuge ist kompliziert: Neben der mechanischen und thermischen Reaktion berücksichtigen wir auch komplexe chemische Reaktionen, Hochspannungsauswirkungen sowie unterschiedliche Längenskalen und Reaktionszeiten für die verschiedenen physikalischen Phänomene“, sagte Mallarapu.
Während sich die bisherige Industrieforschung auf die allmähliche Verformung von Batteriezellen konzentrierte, hat NREL neue Möglichkeiten zur Bewertung dynamischer Hochgeschwindigkeitsstöße eingeführt. Dieser Ansatz beginnt mit Zug- und Druckversuchen im Labor auf Komponentenebene, um die mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren. Als nächstes verwenden die Forscher hochmoderne Geräte in Verbindung mit fortschrittlichen Bildgebungstechniken, um 10.000–40.000 Bilder pro Sekunde aufzunehmen, während die Zelle beschädigt wird. NREL-Forscher liefern eine detaillierte Analyse der thermischen und elektrochemischen Reaktionen gleichzeitig und messen, wie sich die Gas- und Temperaturverteilung während eines Batterieausfalls entwickelt, um Informationen über Konstruktionsverbesserungen zu liefern.
„Die meisten Unfälle passieren nicht langsam, und die Batterieforschung sollte reale Szenarien widerspiegeln“, sagte Mallarapu. „Hochgeschwindigkeits-Missbrauchstests sind entscheidend für unser Verständnis der Sicherheit und Zuverlässigkeit von EV-Batterien.“
NREL- und Hyundai-Forscher verwenden Missbrauchsergebnisse, um mathematische Modelle und fortschrittliche Computersimulationen zu entwickeln, um Crash-Bewertungen für EV-Batterien zu optimieren. Durch die Validierung dieser Auswirkungsmodelle anhand der Laborexperimente können die Forscher die Batteriereaktion auf verschiedene Arten von mechanischen Schäden schneller analysieren.
Leistungsdemonstration stärkt die Partnerschaft
NREL war kürzlich Gastgeber der Führung von Hyundai, um den Fortschritt der dreijährigen Zusammenarbeit und neue Methoden zum Verständnis des Scheiterns zu überprüfen
Der Maschinenbauingenieur Anudeep Mallarapu demonstriert die Batteriesicherheitsmodellierung und -experimente von NREL. Foto von Werner Slocum, NREL.
Modi, physikalische Prozesse und komplexe Wechselwirkungen, die Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen.
Das Projektteam überprüfte die hauseigenen Experimentiermöglichkeiten von NREL zusammen mit einem neuen Toolkit, das für die Multiphysik-Modellierung von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurde. Darüber hinaus experimentierten Besucher mit den fortschrittlichen Visualisierungstools von NREL, um mechanisches, elektrisches und thermisches Versagen durch Simulationen von Batteriemodulen zu interpretieren, die Missbrauchsbedingungen ausgesetzt waren.
„Da die Bedenken hinsichtlich der Brandsicherheit von Hochspannungsbatterien mit der zunehmenden Einführung von Elektrofahrzeugen zunehmen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir multiphysikalische Simulationstechniken entwickeln, die diese Gefahr im Voraus vorhersagen können“, sagte Direktor YongHa Han, der das Virtual Technology Innovation Research Laboratory leitet in der Hyundai Motor Group. „Unter diesen Umständen ist die Zusammenarbeit mit spezialisierten Forschungseinrichtungen wie NREL, das über umfangreiche Entwicklungserfahrung und -kapazitäten im Zusammenhang mit Batterien für Elektrofahrzeuge verfügt, unerlässlich. Wir hoffen, dass die für die Hyundai Motor Group benötigten Kernelementtechnologien effektiv entwickelt werden, indem ein kontinuierliches gemeinsames Forschungs- und Kooperationssystem eingerichtet wird.“
In der letzten Phase dieser Zusammenarbeit werden NREL und Hyundai diese Forschung von Batteriemodulen auf ganze Fahrzeugpakete skalieren, um zu bewerten, wie EV-Batterien reagieren, wenn mehrere Module beschädigt werden. Weitere Forschung wird dazu beitragen, das Modellierungs-Toolkit zu optimieren, um herkömmliche Crash-Simulationstechnologien zu verbessern und die Bewertung von EV-Fahrzeugdesigns zu beschleunigen.
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Ursprünglich veröffentlicht am NREL. Durch Rebekka Martineau
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