Eine der Hürden auf dem Weg zur Marktetablierung von electric vehicles (folgend EVs) ist der Entwicklungsstand der Batterien für diese Fahrzeuge. Eine detaillierte Kenntnis über die zu erwartende Lebensdauer, sowie die Alterungseigenschaften der Batterien ist für ihre Weiterentwicklung und Optimierung von zentraler Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Arbeit ein messtechnisch gestütztes Modells zur Berechnung der kalendarischen Alterung (∆〖SOH〗_t) der Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4)-Batterien entwickelt. Das Modell stellt die kalendarische Alterung (∆〖SOH〗_t) als eine Funktion des State of Health (SOH), des State of Charge (SOC) sowie der Temperatur und der Lagerungszeit dar. Hierzu findet zunächst eine messtechnische Untersuchung der LiFePO4-Batterien statt. Es wird eine Messmatrix definiert, die Temperaturen zwischen 0 °C und 60 °C sowie Ladezustände (SOC) von 10 % bis 100 % abbildet. Die kalendarische Alterung wird für die festgelegten Punkte in der Matrix messtechnisch bestimmt. Darüber hinaus erfolgt durch Vorgabe verschiedener Eingangsparameter, wie z. B. SOH, SOC, Lagerungszeit und Lagerungstemperatur in das Modell die Berechnung der kalendarischen Alterung auf Basis der kubischen Spline-Interpolation für jeden beliebigen Punkt innerhalb der Matrix.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Einleitung und Motivation
1.2 Das Projekt
1.3 Wissenschaftliche Ziele der Arbeit
1.4 Aufbau der Diplomarbeit
2 Grundlagen
2.1 Aufbau und Funktionsweise der Batterien
2.2 Kenndaten in der Batterietechnik
2.2.1 Stromstärke oder die sogenannte C-Rate
2.2.2 Energie- und Leistungsdichte
2.2.3 Nennspannung einer Batterie
2.2.4 Nennkapazität und tatsächliche Kapazität
2.2.5 Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität vom Entladestrom
2.2.6 Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität von der Temperatur
2.2.7 Ladefaktor und Wirkungsgrade
2.2.8 Der Innenwiderstand einer Batterie
2.2.9 SOC (State of Charge)
2.2.10 SOH (State of Health)
2.3 Lithium–Ionen-Batterien
2.3.1 Lithium-Eisen-Phosphat(LiFePO4)-Batterien
2.3.2 Verwendete Lithium-Eisen-Phosphat–Batterien (LiFePO4)
2.4 Reversibler und irreversibler Kapazitätsverlust bei Lithium–Ionen-Batterien
2.4.1 Reversibler Kapazitätsverlust (Selbstentladung)
2.4.2 Irreversibler Kapazitätsverlust (Alterung)
2.4.3 Irreversibler Kapazitätsverlust durch Zyklisierung (ΔSOHz)
2.4.4 Irreversibler Kapazitätsverlust durch kalendarische Alterung (ΔSOHt)
3 Methodik zur Berechnung der kalendarischen Alterung
3.1 Messaufbauten und Messmethodik
3.1.1 Zyklisierung der LiFePO4-Zellen
3.1.2 Mathematische Formulierung der kalendarischen Alterung (ΔSOHt)
3.1.3 Messaufbauten zur Lagerung der Zellen
3.2 Vorstellung der Messmatrizen
3.2.1 Beschreibung der Hauptpunkte der Messmatrix
3.2.2 Beschreibung der Center–Points der Messmatrix
3.2.3 Beschreibung der Randpunkte der Messmatrix
3.2.4 Polynomiale Approximation der SOH-Werte
3.2.5 Mathematische Berechnung der kalendarischen Alterung (ΔSOHt)
3.2.6 Benutzung der kubischen Spline-Interpolation zur Berechnung der kalendarischen Alterung für jeden beliebigen Punkt in der Messmatrix
3.2.7 Methodik zur Berechnung des relativen Fehlers
4 Vorstellung und Auswertung der Messergebnisse
4.1 Vorstellung und Auswertung der SOH-Verläufe der Hauptpunkten der Messmatrix
4.1.1 SOH-Verläufe der bei 60 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.1.2 SOH-Verläufe der bei 40 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.1.3 SOH-Verläufe der bei 20 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.1.4 SOH-Verläufe der bei 0 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.1.5 Polynomiale Darstellung der SOH-Verläufe von den Hauptpunkten der Messmatrix
4.2 Vorstellung und Auswertung der SOH-Verläufe aus den Center-Points und den Randpunkten der Messmatrix
4.2.1 SOH-Verläufe der bei 50 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.2.2 SOH-Verläufe der bei 30 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.2.3 SOH-Verläufe der bei 10 °C gelagerten LiFePO 4-Zellen
4.2.4 Polynomiale Darstellung der SOH-Verläufe von den Center-Points (und den Randpunkten) der Messmatrix
5 Simulation des Modells
5.1 Überprüfung des Modells auf Plausibilität anhand einer Reihe von Beispielen
5.1.1 Vorstellung der Simulationsergebnisse für SOH = 0,99 und Δt= 1d
5.1.2 Vorstellung der Simulationsergebnisse für SOH = 0,95 und Δt= 1d
5.2 Interpretation der Ergebnisse aus dem Modell
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, ein messtechnisch gestütztes Modell zur Berechnung der kalendarischen Alterung von LiFePO4-Batterien zu entwickeln. Die zentrale Forschungsfrage ist, wie die kalendarische Alterung als mathematische Funktion von Temperatur, Ladezustand (SOC), State of Health (SOH) und Lagerungszeit abgebildet werden kann, um auch für nicht messtechnisch untersuchte Betriebspunkte zuverlässige Prognosen mittels kubischer Spline-Interpolation zu ermöglichen.
- Entwicklung eines Alterungsmodells auf Basis von LiFePO4-Zellmessungen in definierten Matrizen.
- Experimentelle Bestimmung des irreversiblen Kapazitätsverlusts durch Lagerung bei unterschiedlichen Temperaturen und Ladezuständen.
- Mathematische Implementierung und Validierung mittels Matlab und Polynomapproximation zweiter Ordnung.
- Untersuchung des Einflusses von Staging-Phänomenen auf die Alterungscharakteristik.
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Reversibler Kapazitätsverlust (Selbstentladung)
Reversibler Kapazitätsverlust bzw. Selbstentladung ist bei allen Batterien unumgänglich. Er tritt immer dann auf, wenn die Batterie unbenutzt gelagert wird. Diese Art des Kapazitätsverlusts schädigt die Batterie nicht und kann durch erneutes Wiederaufladen der Batterie völlig wiederhergestellt werden. Diese Verluste entstehen durch Nebenreaktionen oder interne Kurzschlüsse, welche in den Elektroden, insbesondere an der Anode stattfinden /17/. Die Selbstentladung ist direkt von Temperatur und Ladezustand der Batterie abhängig. Das heißt bei höheren Temperaturen oder bei höheren Ladezuständen ist dieser Verlust dementsprechend höher als bei niedrigen Temperaturen oder geringeren Ladezuständen. Als Faustregel bei den Lithium-Ionen-Batterien kann man je 10 °C Temperaturerhöhung von einer Verdoppelung des reversiblen Kapazitätsverlusts ausgehen /6/.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Diese Einleitung beschreibt die Relevanz der Elektromobilität, die Ziele zur Marktetablierung von Elektrofahrzeugen sowie die wissenschaftliche Relevanz der Batterieforschung für dieses Projekt.
2 Grundlagen: Hier werden die chemischen und technischen Prinzipien von Lithium-Ionen-Batterien sowie relevante Kenngrößen wie C-Rate, SOC und SOH detailliert dargelegt.
3 Methodik zur Berechnung der kalendarischen Alterung: In diesem Kapitel wird das messtechnische Vorgehen, die Definition der Messmatrizen und die mathematische Modellierung mittels Spline-Interpolation erläutert.
4 Vorstellung und Auswertung der Messergebnisse: Dieser Teil präsentiert die grafischen SOH-Verläufe der verschiedenen Zellgruppen bei unterschiedlichen Temperaturen und Ladezuständen sowie deren polynomiale Approximation.
5 Simulation des Modells: Hier erfolgt die Plausibilitätsprüfung des Modells durch den Abgleich von simulierten Werten mit berechneten Messergebnissen anhand spezifischer Beispiele.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die erreichten Ziele zusammen und diskutiert Limitationen sowie mögliche zukünftige Optimierungsansätze für das Alterungsmodell.
Schlüsselwörter
LiFePO4-Batterien, kalendarische Alterung, State of Health, SOH, Ladezustand, SOC, Elektrofahrzeuge, Batterietechnik, kubische Spline-Interpolation, Polynomiale Approximation, Kapazitätsverlust, Selbstentladung, Modellbildung, Matlab, Alterungsmechanismen
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines messtechnisch gestützten Modells, um die kalendarische Alterung von Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4)-Batterien während der Lagerung zu berechnen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die Batterietechnik, speziell die Degradationsmechanismen von Lithium-Ionen-Speichern, sowie deren mathematische Modellierung und messtechnische Untersuchung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist die Abbildung des irreversiblen Kapazitätsverlusts (Alterung) in Abhängigkeit von Temperatur, SOC, SOH und Lagerungszeit, um Prognosen auch für Betriebspunkte zu ermöglichen, die nicht direkt gemessen wurden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden Messmatrizen erstellt und die Ergebnisse mittels polynomialer Approximation zweiter Ordnung sowie der Methode der kubischen Spline-Interpolation in Matlab ausgewertet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die messtechnische Untersuchung der Zellen, die Vorstellung der Messmatrizen und die grafische Auswertung der SOH-Verläufe, gefolgt von der Plausibilitätssimulation des Modells.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind kalendarische Alterung, LiFePO4-Batterie, SOC, SOH, Spline-Interpolation und Kapazitätsverlust.
Was ist das Staging-Phänomen und warum ist es relevant?
Das Staging-Phänomen beschreibt ein unerwartetes Alterungsverhalten, das insbesondere bei einem Ladezustand von 78 % beobachtet wurde und die Messergebnisse teilweise beeinflusst hat.
Wie geht das Modell mit fehlenden Daten um?
Falls für bestimmte Betriebspunkte keine ausreichenden Daten vorliegen, werden diese im Modell automatisch mit „NAN“ (Not A Number) markiert, um eine fehlerhafte Interpolation zu kennzeichnen.
- Arbeit zitieren
- Alireza Farman (Autor:in), 2010, Erstellen eines messtechnisch gestützten Modells zur Berechnung der kalendarischen Alterung von LiFePO4-Batterien, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/172904
