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Entwicklung einer Methodik zur Analyse von Änderungen an Batteriesystemen und der Evaluation resultierender Prüfnotwendigkeit = Development of a method for analysis of modifications to battery systems and evaluation of the resulting necessity for testing
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-26
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01826
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1005537/files/1005537.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Batterie (frei) ; battery (frei) ; engineering (frei) ; engineering change management (frei) ; safety (frei) ; testing (frei) ; Änderung (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Ein signifikanter Anteil an der menschengemachten Erwärmung des Weltklimas wird dem CO2-Ausstoß des Mobilitätssektors zugeschrieben. Als Gegenmaßnahme muss die Verbrennung fossiler Kraftstoffe schnellstmöglich reduziert und durch alternative Antriebstechnologien ersetzt werden. Eine derzeit vielversprechende Technologie ist dabei die batterieelektrische Mobilität, die aufgrund ihrer lokalen Emissionsfreiheit zu bevorzugen ist. Batterieelektrische Fahrzeuge sind durch die Energie- bzw. Leistungsdichte der Traktionsbatterie (zumeist Lithium-Ionen-Batterie) in ihrer Reichweite und Ladeleistung beschränkt. Um den Nutzenden den Umstieg auf die alternative Antriebsart zu erleichtern, müssen am Markt leistungsfähige Fahrzeuge zu attraktiven Preisen angeboten werden. Während sich die Batterietechnologie aktuell schnell weiterentwickelt, ist der automobile Produktzyklus geprägt von langen, kostenintensiven Planungs- und Entwicklungszeiten. Späte Änderungen am Produkt sind mit hohen Absicherungsaufwänden verbunden, sodass eine schnelle Umsetzung schwer möglich ist. Aufgrund der komplexen Produktstruktur mit vielen Interdependenzen ist das Risiko einer Änderungspropagation auf weitere Bauteile hoch. Zudem kann der Bedarf der notwendigen Testumfänge nicht frühzeitig und transparent festgelegt werden. Die Zeit bis zur Markeinführung einer neuen Technologie stellt jedoch einen dezisiven Faktor im kompetitiven Umfeld dar. Um Änderungen zur Produktaufwertung zeitnah in den Markt einführen zu können, bedarf es einer Methodik zur Analyse von Änderungen an Batteriesystemen und der Evaluation resultierender Prüfnotwendigkeit. Diese Notwendigkeit wird auf Basis eines Defizits in der Praxis und dem Defizit in der Theorie innerhalb der vorliegenden Arbeit strukturiert dargelegt. Ziel ist es den anwendenden Personen eine methodische Vorgehensweise zu bieten, um vor einer Änderung die Entscheidung zur Umsetzung zu unterstützen und eine zeitliche sowie finanzielle Optimierung im Änderungsprozess von Traktionsbatterien zu erwirken. Hierfür wird innerhalb von drei Phasen ein strukturiertes Vorgehen entwickelt, das wiederum in mehreren Modulen detailliert ist. Innerhalb der Initiierungsphase liegt der Fokus auf den grundsätzlichen Produktinterdependenzen einer Batterie und der Identifikation zielführender Änderungsinitiatoren auf Basis der Markt- und Kundenanforderungen. Zusätzlich werden die umfangreichen, normativen Testverfahren vereinheitlicht, um Redundanzen zu eliminieren. Daran anschließend erfolgt in der Analysephase die detaillierte Betrachtung der Änderungspropagation innerhalb des Produkts durch numerische Auswertung und der Quantifizierung anhand von Kennwerten. Des Weiteren werden die Ausprägungen der Änderungen untersucht, um eine optimale Kombination in der Umsetzung zu erzielen. Die Evaluation des resultierenden Testbedarfs erfolgt auf Basis einer domänenspezifischen Untersuchung der testrelevanten Komponenteneigenschaften. In der Gestaltungsphase werden Ansätze zur Steigerung der Änderungsrobustheit im Produkt aufgezeigt und die Testverfahren um zusätzliche Messwerte ergänzt, sodass der zukünftige Änderungsaufwand nachhaltig reduziert wird. Eine Validierung des Vorgehens erfolgt anhand eines Fallbeispiels aus der Praxis. Die Methodik liefert einen entscheidenden Beitrag zum besseren Verständnis der komplexen Änderungsmechanismen innerhalb einer Batterie in Verknüpfung mit den Absicherungstests. Sie ermöglicht es, unterschiedlichste Produktänderungen kurzfristiger und mit geringerem monetärem Aufwand zielgerichtet in den Markt einzuführen, indem Änderungspropagationen analysiert werden und transparente Prüfbedarfe resultieren.A significant proportion of anthropogenic global warming is caused by CO2 emissions from the mobility sector. As a countermeasure, the combustion of fossil fuels must be reduced as quickly as possible and replaced by alternative driving technologies. Currently, one promising technology is battery-electric mobility as it does not cause local emissions. Battery-electric vehicles are limited in their driving range and charging capacity by the energy and power density of their traction battery (usually a lithium-ion battery). The market must offer affordable vehicles with attractive performance in order to make it more convenient for users to switch to the alternative powertrain. While battery technology is currently developing rapidly, the automobile product cycle takes a long, cost-intensive time for planning and development. Late product changesresult in high validation costs, which makes it difficult to implement them quickly. The risk of change propagation to other components is high because of the complex product structure with its many interdependencies. In addition, the required scope of testing cannot be determined transparently at an early stage. However, the time until market launch of a new technology is a decisive factor in the competitive environment.In order to introduce product changes to the market in a short time, a methodology for analysing modifications to battery systems and evaluating the resulting necessity for testing is required. This necessity is outlined in a clearly structured form in this thesis based on a deficit in practice and a deficit in theory. The objective is to support the user with a methodical approach to assist in the decision-making process before a change is made and to be more efficient in terms of time and costs in the change process for traction batteries. For this purpose, a structured approach is developed within three phases, which are detailed in several modules. Within the initiation phase, the focus is on the general product interdependencies of a battery and the identification of target-oriented change initiators based on market and customer requirements. In addition, the numerous normative test procedures are harmonised to eliminate redundancies. In the analysis phase this is followed by a detailed study of change propagation within the product by means of numerical evaluation and quantification based on characteristic values. Furthermore, the variants of the changes are analysed to achieve an optimal configuration in the implementation. The resulting test specifications are evaluated based on a domain-specific investigation of the test-relevant component properties. In the design phase, approaches for increasing the robustness against changes in the product are identified and the test procedures are enhanced with additional measured values. This ensures that the future change effort is effectively reduced. The methodology is validated using a practical case study. This thesis contributes significantly to a better understanding of the complex change mechanisms within a battery in conjunction with the validation tests. It enables a variety of product changes to be introduced to the market faster and at lower cost by analysing change propagation and resulting in transparent testing necessities.
OpenAccess: 
PDF
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030963758
Interne Identnummern
RWTH-2025-01826
Datensatz-ID: 1005537
Beteiligte Länder
Germany
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