Entwicklung von Batterie-Ersatzmodellen für Crashtests und -simulationen in der Luftfahrt (w/m/d)

Die Luftfahrtindustrie arbeitet derzeit verstärkt an neuen Lösungen zur Reduktion der von der Luftfahrt verursachten CO2 Emissionen. Neue Flugzeug- und VTOL-Konzepte (Vertical Take-Off and Landing) basieren zunehmend auf der Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Die hierfür erforderlichen Energiespeicher werden oft mittels Batterien realisiert. Das DLR erforscht dabei die Integration dieser relativ großen und schweren Batterie-Packs in die Flugzeugzelle vor allem mit Hinblick auf die Crashsicherheit und das Leichtbaupotential der Integrationsstruktur. Die Batterien müssen sicher in der Struktur integriert sein, sodass im Fall einer Crashlandung keine Gefahr für Insassen und Rettungskräfte besteht. Im Crashfall dürfen sich die schweren Batteriemassen weder losreißen, noch dürfen im Falle eines thermischen Durchgehens der Batterie Rauchgase, Feuer und Hitze die Passagierkabine und Fluchtwege beeinträchtigen. Zudem darf keine elektrische Gefahr von den Hochvoltsystemen ausgehen. Diese Anforderungen müssen für den behördlichen Zulassungsnachweis durch einen physikalischen Crashtest nachgewiesen werden. Für die Entwicklung sicherer Integrationskonzepte kommen physikalische Tests und Finite-Elemente-Simulationen zur Anwendung. Abhängig von der Entwicklungsphase werden hierbei Verfahren unterschiedlicher Genauigkeit und Effizienz benötigt. Im Vorentwurf sind schnelle Verfahren hinreichender Genauigkeit wichtig, bei denen die Batterie stark vereinfacht wird. Für späte Entwicklungsphasen sind sehr genaue, jedoch aufwändige, Verfahren erforderlich. In weiten Bereichen der Entwicklungsphasen kommen hierbei Ersatzmodelle für die Batterien zum Einsatz. Erst der finale Zulassungs-Crashtest wird mit echten, geladenen Batterien durchgeführt. Die Entwicklung von Batterie-Ersatzmodellen zum Einsatz in Entwurfsverfahren ist hierbei Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten, die durch diese Masterarbeit unterstützt werden sollen.

Im Umfang dieser Abschlussarbeit sollen unterschiedlich detaillierte Ersatzmodelle entwickelt werden, sowohl physikalische Ersatzmodelle für den experimentellen Test als auch numerische Ersatzmodelle für die Simulation. Des Weiteren sollen Kriterien entwickelt werden, anhand derer mit dem Ersatzmodell Aussagen über ein mögliches thermisches Durchgehen der realen Batterie getroffen werden können. Die Validierung der Methoden findet hierbei mittels eines bereits vorliegenden, detaillierten Batteriemodells statt. Abschließend sollen die entwickelten Methoden angewandt werden auf eine reale eVTOL Struktur, die derzeit am DLR entwickelt und einem Crashtest unterzogen wird.

• Literaturrecherche Ersatzmodelle Batterie, Crashsichere Energiespeicher, …
• Einarbeitung in das FE Programm LS-DYNA (optional: BatMac Macro Batteriemodell)
• Erarbeitung von allgemeinen Konzepten für Ersatzmodelle auf unterschiedlichen EbenenBatterie Zelle
  • Batterie Modul
  • Batterie Pack
• Methodenentwicklung für Batterie-Ersatzmodelle auf Modulebene mit Pouch-Zellen, mit unterschiedlichen Detailgraden entlang des Building Blocks
  • Numerische Ersatzmodelle
    • Modellierungsmethoden
    • Kriterien für thermisches Durchgehen im Simulationsraum
  • Experimentelle Ersatzmodelle
    • Modellierungsmethoden
    • Kriterien für thermisches Durchgehen bei physischen Tests
    • Optional:Übertragung der erarbeiteten Methoden auf zylindrische und prismatische Batteriezellen
• Anwendung der entwickelten Methoden entlang des Batterie Building Blocks auf einen eVTOL Demonstrator in Vorbereitung eines Full-Scale Crash Tests
• Auswahl der passenden Ersatzmodelle für Simulation und Test
• Übertragung der entwickelten experimentellen und numerischen Methoden auf einen eVTOL Demonstrator
• Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse

• laufendes ingenieurwissenschaftliches Studium (z.B. im Bereich Luft- und Raumfahrttechnik, Maschinenbau oder ähnliches)
• Interesse und Grundkenntnisse im Bereiche Finite-Elemente-Simulation (idealerweise LS-DYNA)
• zuverlässiges und selbstständiges Arbeiten