Ziel
In einer Zusammenarbeit zwischen der TUM, der RWTH Aachen und den Fraunhofer Instituten ISIT und IISB wurde eine ganzheitliche Toolchain entlang der Batterie- und Speicherwertschöpfungskette entwickelt. Die Toolchain ermöglicht eine vollständige Analyse von Batteriespeichern, beginnend beim Batteriezelldesign bis hin zur Systemperformance in Batterieanwendungen.

Methodik
Zu Beginn der Toolchain steht die ISEA Cell & Pack Database (ICPD) – eine Datenbank mit Zellcharakteristika vermessener und virtueller Zellen. Jede Zelle ist durch ein parametriertes Ersatzschaltbildmodell mit Innenwiderständen und Leerlaufkennlinien definiert. Die Parameter der virtuellen Zellen werden durch elektrochemische Simulation mit Referenzen zu den vermessenen Zellen bestimmt. Eng an die ICPD angelehnt bestimmt ein Kostenmodell die theoretischen Herstellungskosten virtueller und realer Zellen.
Das Battery System Designer Tool (BaSD) ermöglicht eine automatische anwendungsspezifische Batteriesystemauslegung. Durch Vorgabe der Rahmenbedingungen werden in diesem Tool die Zellen aus der ICPD für den definierten Anwendungsfall optimal ausgelegt. Das Ergebnis besteht aus einem Verschaltungsplan, der für jede mögliche Zelle die Anwendungsanforderungen erfüllt.
Mit diesen zellspezifischen Verschaltungen und den Zellparametern können im letzten Schritt holistische Simulationen in der jeweiligen Anwendung durchgeführt werden. Dies erfolgt im Simulationstool SimSES. Auf Grundlage einer Zeitreihensimulation werden die Zellen mit den Lastprofilen aus einer Anwendungsdatenbank belastet. Die Simulation umfasst das gesamte Batteriesystem nebst Wandlern. Im Resultat kann eine vollständige techno-ökonomische Analyse erfolgen, in der die unterschiedlichen Batteriesysteme tiefgehend verglichen werden können.

Ergebnisse
In den ersten Durchläufen dieser Toolchain konnten die Schnittstellen validiert und erfolgreich der gesamte Ablauf durchiteriert werden. In den ersten Auswertungen wurde primär die Batterieeffizienz betrachtet. Bei einer Auswahl von 88 Zellen in der ICPD konnten in der Elektroauto-Anwendung energetische Round-Trip-Effizienzen zwischen 95.5 und 99.8% beobachtet werden. Bei Elektrobooten hingehen werden durch die abweichenden Anforderungen und Belastungen bei allen Zellen Effizienzen von über 99% erreicht. Weitere Auswertungen können die Kriterien für das Zelldesign in unterschiedlichen Anwendungen identifizieren und eine Systemauslegung deutlich erleichtern.

Diskussion
Die veröffentlichten Open-Source-Tools ermöglichen es Nutzern, eigenständig Simulationen innerhalb der Toolchain auszuführen. Zudem können diese Tools nicht nur als Ganzes genutzt, sondern auch einzelne Komponenten daraus extrahiert werden.