Fallspezifische Anpassung der BFD

Die kausalen Beziehungen der BFD beruhen auf prozess- und zellspezifischen Annahmen. Mit fortschreitendem Prozess ändern sich die beteiligten Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge. Dass sich ein Prozess in seinem Verlauf ändert, wird von System Dynamics berücksichtigt (BOSSEL2004, S. 73). Im Folgenden wird daher analysiert, wie viele Varianten der Teilmodelle jeweils erstellt wer-den müssen, um alle Unterprozesse der Befüllung abbilwer-den zu können. Zudem wird erläutert, welche Anpassungen vorzunehmen sind, wenn die Zelle über einen druckdichten Anschluss an das Dosiersystem verfügt.

Anzahl benötigter Diagramme

Im Schritt „Befüllen vorbereiten“ wird lediglich das im Zellinneren vorhandene Gas durch das Prozessgas substituiert. Welches Gas in der Zelle ist, wird vom Modell jedoch nicht berücksichtigt. Der Prozessschritt „Befüllen vorbereiten“

wird daher nicht in einem Modell beschrieben.

Der Schritt „Befüllen“ wird in einem eigenen Modell abgebildet, da stoffliche

Flüsse über die und innerhalb der Systemgrenze stattfinden, die von auf die Zelle einwirkenden Drücken beeinflusst werden.

Im Schritt „Stimulation nach Befüllen“ kann die Zelle Über- und Unterdruck ausgesetzt werden. Abhängig vom anliegenden Druck treten Phasenumwand-lungen auf, bei denen mit Überschreitung des Dampfdrucks die Verflüssigung dampfförmigen Elektrolyts und umgekehrt bei Unterschreitung des Dampf-drucks die Verdampfung flüssigen Elektrolyts beginnt. Da die Zelle noch nicht verschlossen ist, können während dieses Schrittes Elektrolytverluste auftreten.

Die Tränkung des Zellkörpers wird durch Verdampfen und Verflüssigen auf un-terschiedliche Arten beeinflusst. Daher ist es erforderlich, die Wirkungsketten im betrachteten Prozessschritt in zwei Modellen nachzubilden.

Die im Schritt „Siegeln vorbereiten“ durchgeführte Evakuierung der Zelle ist mit dem SchrittStimulation nach Befüllenabbildbar und benötigt daher kein se-parates Modell. Die eigentliche Durchführung des Schritts „Siegeln“ dauert nur wenige Sekunden. Es wird angenommen, dass die während der Versiegelung der Zelle auf die Siegelnaht eingebrachte Wärmeenergie keine Erhöhung der Elektrolyttemperatur bewirkt und somit die Benetzung nicht beeinflusst wird.

Die Belüftung der Vakuumkammer wird dem nachfolgenden Prozessschritt zugerechnet.

Ähnlich der „Stimulation nach Befüllen“ ist die versiegelte Folienzelle im Schritt

„Stimulation nach Siegeln“ alternierenden Drücken ausgesetzt. Im Gegensatz zur „Stimulation nach Befüllen“ ist die LIZ bereits verschlossen. Dadurch wird erstens der Druck auf den Elektrolyten nur über die Krafteinwirkung infolge ei-nes alternierenden Prozessraumdrucks auf die biegeweiche Zellhülle ausgeübt.

Zweitens kann kein Stoffaustausch mehr zwischen Zelle und Umgebung statt-finden. Daher wird dieser Prozessschritt in einem eigenen Modell betrachtet.

Ausgehend von obiger Analyse sind aus den Teilmodellen aus Unterab-schnitt 6.3.1 jeweils vier verschiedene BFD für die Schritte „Befüllen“, „Sti-mulation nach Befüllen“ (Verdampfen und Verflüssigen) und „Sti„Sti-mulation nach Siegeln“ zu erstellen.

Ausschluss kausaler Beziehungen

Nachfolgend wird vorgestellt, wie die Modellparameter in Abhängigkeit der jeweiligen Randbedingungen angepasst werden können. Mit dem dargestellten

Vorgehen kann auf Basis der bereits präsentierten BFD des Schrittes „Befüllen“

jedes weitere BFD erstellt werden. Es ist lediglich situativ über das Vorliegen und die Polarität der betroffenen kausalen Beziehungen zu entscheiden, die je nach betrachteter Ausprägung der Prozessschritte variieren können.

DieEinfüllrateliegt nur im Unterprozess Befüllen vor. Liegt keine Einfüllrate vor, verspritzt Elektrolyt auch nicht infolge hoher Flussgeschwindigkeit, sodass die kausale Beziehung vonFlussgeschwindigkeitzuVerlustrate (flüssig)entfällt.

Die Dichtigkeit des Anschlusses des Dosiersystems an die Zelle dient als An-haltspunkt dafür, dass flüssige und dampfförmige Elektrolytverluste nicht in den Prozessraum gelangen. Es ist jedoch möglich, dass eine Unterdruckeinheit gasförmige Elektrolytkomponenten aus der Zelle fördert. Ob die Veränderungs-ratenVerlustrate (flüssig)undGasentweichungsrate.Totvolumenauftreten, ist für jeden Anwendungsfall separat zu entscheiden. Darüber hinaus entscheidet die Dichtigkeit des Anschlusses zwischen Zelle und Dosiersystem, ob das Zellge-häuse durch eine Druckdifferenz zwischen Zellinnenraum und Prozessraum verformt wird. Mit der Annahme eines dichten Anschlusses kann auch die Sti-mulation einer versiegelten Zelle beschrieben werden. Tabelle 6.1 zeigt, welche Modellvariablen von der Dichtigkeit abhängen und somit in Zusammenhang mit der Verformung des Zellgehäuses stehen. Ist der Anschluss nicht dicht, gilt stets die Gleichheit von Zellinnendruck und Prozessraumdruck. Sind die in Tabelle 6.1 aufgeführten Variablen nach einer Anpassung des Prozessmodells nicht mehr vorhanden, entfallen die zugehörigen kausalen Beziehungen.

Modellvariable Dichter Anschluss Druckwirkung auf Elektrolyt in Totvolumen enthalten entfällt Tabelle 6.1: Modellvariablen in Abhängigkeit der Dichtheit zwischen Dosiersystem und

Zelle

Eine versiegelte Zelle entspricht einer Zelle mit einem dichten Anschluss an das Dosiersystem unter Ausschluss der Veränderungsrate Gasentweichungsra-te.Totvolumen. Folglich kann die Stimulation nach dem Versiegeln durch die BFD der Stimulation nach Befüllen unter Ausschluss stofflicher Flüsse zwischen Totvolumen und Umgebung modelliert werden.

Abhängigkeit kausaler Beziehungen von der Phasenänderungsrate

Für die Stimulationsschritte ist die Phasenänderungsrate anzupassen. Ob die Verdampfungsrate oder die Verflüssigungsrate vorliegt, ist durch die Höhe der VorgabegrößeZellinnendruckbedingt. Davon abhängig werden die Massenströ-me zwischen TotvoluMassenströ-men, Zellkörper und ggf. der Systemumgebung definiert, wie es Tabelle 6.2 zeigt. Ist der Kammerdruck niedrig, geht dieMasse Elektrolyt im Zellkörperüber die Phasenänderungsrate (jetzt:Verdampfungsrate) inMasse Gas im Zellkörperüber. Bei hohem Druck kehrt sich die Phasenänderungsrate um, sodass dieMasse Gas im Zellkörperüber dieVerflüssigungsratein der Zu-standsgrößeMasse Elektrolyt in Zellkörpermündet. Gleiches gilt für die Massen im Totvolumen.

von Zustandsgröße über Flussgröße zu Zustandsgröße Druck niedrig

Masse Elektrolyt im Zellkörper

Verdampfungsrate Masse Gas im Zellkör-per

Masse Elektrolyt im Totvolumen

Verdampfungsrate Masse Gas im Totvo-lumen

Tabelle 6.2: Stoffliche Flüsse zwischen Totvolumen und Zellkörper in Abhängigkeit des Zellinnendrucks

Mit der Wahl der Phasenänderungsrate (Verflüssigung oder Verdampfung) ändern sich die Polaritäten der in Zusammenhang stehenden kausalen

Bezie-hungen nach Tabelle 6.3. Zur Verdeutlichung wird der erste Eintrag erläutert:

Die Polarität der kausalen Beziehung zwischenTemperatur Elektrolytund Phasen-änderungsrate ist positiv, wenn die PhasenPhasen-änderungsrate eineVerdampfungsrate ist. Wird anstelle derVerdampfungsratedieVerflüssigungsratebetrachtet, ist die Polarität negativ.

-Tabelle 6.3: Polarität der kausalen Beziehungen in Abhängigkeit der Phasen-änderungsrate