Erstellen eines messtechnisch gestützten Modells zur Berechnung der kalendarischen Alterung von LiFePO4-Batterien

Diplomarbeit , 2010 , 79 Seiten , Note: 1,0

Elektrotechnik

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

• Einführung
• Einleitung und Motivation
• Das Projekt
• Wissenschaftliche Ziele der Arbeit
• Aufbau der Diplomarbeit
• Grundlagen
• Aufbau und Funktionsweise der Batterien
• Stromstärke oder die sogenannte C-Rate
• Energie- und Leistungsdichte
• Nennspannung einer Batterie
• Nennkapazität und tatsächliche Kapazität
• Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität vom Entladestrom
• Abhängigkeit der tatsächlichen Kapazität von der Temperatur
• Ladefaktor und Wirkungsgrade
• Der Innenwiderstand einer Batterie
• SOC (State of Charge)
• SOH (State of Health)
• Lithium-Ionen-Batterien
• Lithium-Eisen-Phosphat(LiFePO4)-Batterien
• Verwendete Lithium-Eisen-Phosphat–Batterien (LiFePO4)
• Reversibler und irreversibler Kapazitätsverlust bei Lithium-Ionen-Batterien
• Reversibler Kapazitätsverlust (Selbstentladung)
• Irreversibler Kapazitätsverlust (Alterung)
• Irreversibler Kapazitätsverlust durch Zyklisierung (ASOHz)
• Irreversibler Kapazitätsverlust durch kalendarische Alterung (ASOHt)
• Methodik zur Berechnung der kalendarischen Alterung
• Messaufbauten und Messmethodik
• Zyklisierung der LiFePO4-Zellen
• Messaufbauten zur Lagerung der Zellen
• Vorstellung der Messmatrizen
• Beschreibung der Hauptpunkte der Messmatrix
• Mathematische Formulierung der kalendarischen Alterung (ASOHt)
• Beschreibung der Center-Points der Messmatrix
• Beschreibung der Randpunkte der Messmatrix
• Polynomiale Approximation der SOH-Werte
• Mathematische Berechnung der kalendarischen Alterung (ASOHt)
• Benutzung der kubischen Spline-Interpolation zur Berechnung der kalendarischer Alterung für jeden beliebigen Punkt in der Messmatrix
• Methodik zur Berechnung des relativen Fehlers
• Vorstellung und Auswertung der Messergebnisse
• Vorstellung und Auswertung der SOH-Verläufe der Hauptpunkten der Messmatrix
• SOH-Verläufe der bei 60 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• SOH-Verläufe der bei 40 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• SOH-Verläufe der bei 20 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• SOH-Verläufe der bei 0 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• Polynomiale Darstellung der SOH-Verläufe von den Hauptpunkten der Messmatrix
• Vorstellung und Auswertung der SOH-Verläufe aus den Center-Points und den Randpunkten der Messmatrix
• SOH-Verläufe der bei 50 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• SOH-Verläufe der bei 30 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• SOH-Verläufe der bei 10 °C gelagerten LiFePO4-Zellen
• Polynomiale Darstellung der SOH-Verläufe von den Center-Points (und den Randpunkten) der Messmatrix
• Simulation des Modells
• Überprüfung des Modells auf Plausibilität anhand einer Reihe von Beispielen
• Vorstellung der Simulationsergebnisse für SOH = 0,99 und At= 1d
• Vorstellung der Simulationsergebnisse für SOH = 0,95 und At= 1d
• Interpretation der Ergebnisse aus dem Modell
• Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines messtechnisch gestützten Modells zur Berechnung der kalendarischen Alterung von LiFePO4-Batterien. Ziel ist es, die Alterungseigenschaften dieser Batterien genauer zu verstehen und ein Modell zu erstellen, das die Alterung als Funktion des State of Health (SOH), State of Charge (SOC), der Temperatur und der Lagerungszeit darstellt.

• Kalendarische Alterung von LiFePO4-Batterien
• Entwicklung eines messtechnisch gestützten Modells
• Einfluss von SOH, SOC, Temperatur und Lagerungszeit auf die Alterung
• Mathematische Modellierung und Simulation
• Bewertung und Validierung des Modells

Zusammenfassung der Kapitel

Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in das Thema der kalendarischen Alterung von LiFePO4-Batterien und erläutert die Motivation und die wissenschaftlichen Ziele der Arbeit. Im zweiten Kapitel werden grundlegende Konzepte der Batterietechnik, insbesondere im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien, vorgestellt. Das Kapitel beleuchtet auch die verschiedenen Arten von Kapazitätsverlusten, darunter die kalendarische Alterung.

Kapitel 3 beschreibt die Methodik zur Berechnung der kalendarischen Alterung. Es werden die Messaufbauten und die Messmethodik vorgestellt, sowie die Messmatrix, die zur Bestimmung der Alterung verwendet wird. Die mathematischen Grundlagen für die Berechnung der Alterung werden ebenfalls erläutert.

Kapitel 4 präsentiert und analysiert die Messergebnisse. Die SOH-Verläufe für verschiedene Temperaturen und Lagerungszeiten werden dargestellt und analysiert. Die Ergebnisse werden verwendet, um das Modell der kalendarischen Alterung zu validieren.

Kapitel 5 simuliert das entwickelte Modell anhand verschiedener Beispiele. Die Simulationsergebnisse werden mit den Messergebnissen verglichen und die Plausibilität des Modells wird bewertet.

Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.

Schlüsselwörter

LiFePO4-Batterien, kalendarische Alterung, State of Health (SOH), State of Charge (SOC), Temperatur, Lagerungszeit, messtechnisch gestütztes Modell, kubische Spline-Interpolation, Simulation, Validierung.

• Hochschule: Hochschule München (Elektrotechnik und Informationstechnik)
• Note: 1,0
• Autor: Alireza Farman (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2010
• Seiten: 79
• Katalognummer: V172904
• ISBN (eBook): 9783640929863
• ISBN (Buch): 9783640929740
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Batterien, lithium, modell, lithium batterien, matlab modell, batteriemodell, alterungsmodell, alterungsverhalten der batterien, kalendarische alterung, matlab, numerisches modell, Elektroauto, Elektro fahrzeuge, lithium eisen phosphat, LiFePO4, Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien