Alterungsmodelle von Lithium-Ionen Batterien am Beispiel von Elektrofahrzeugen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Da weltweit die Untersuchungen von Lithium-Ionen-Batterien und die Entwicklung von Lebensdauermodellen massiv zugenommen haben, hat sich diese Arbeit während der Projektentwicklung auf die Modellierung von Lithium-Eisenphosphat-(LFP)-Batterien in der Anwendung für Netzdienstleistungen konzentriert. Die vorgestellten Ergebnisse sind unabhängig davon, ob die Anwendung der Batterien im Elektrofahrzeug oder als stationärer Speicher erfolgt. Eine wesentliche Aufgabe war der Aufbau eines Wechselrichters nach dem Prinzip der Virtuellen Synchronmaschine (VISMA) mit einer Lithium-Ionen-Batterie zur Erbringung von Netzdienstleistungen. Es ist ein Versuchsaufbau entstanden, an dem Untersuchungen zur Netzintegration von Batteriespeichern durchgeführt wurden und auch weiter durchgeführt werden. Die Wirkungen des „innovativen Lademanagements“ zur Vermeidung kritischer Stromgradienten, der Leistungsanpassung bei Erreichen bedenklicher Temperaturen und insbesondere die Berücksichtigung der verstärkten Alterung in bestimmten Ladezustandsbereichen (SOC) auf die Erbringung von Netzdienstleistungen sind weiterhin höchst forschungsrelevant. Hierzu werden weitere Untersuchungen auch auf Zellebene am EFZN vorangetrieben, um einen Nachweis der lebensdauerverlängernden Wirkung des Lademanagements zu erbringen. Bei der genaueren Analyse des Gleichspannungs(GS)-Zwischenkreises der VISMA sowohl im dynamischen als auch im stationären Betrieb haben sich Effekte z.B. bzgl. des Einschwingverhaltens und des Oberschwingungsgehalts gezeigt, die bisher gemäß Literatur nicht ausreichend erforscht worden sind. Die Rückwirkungen einzelner Parameteränderungen des Maschinenmodells der VISMA auf den GS-Zwischenkreis und auch auf die Netzseite sind zum Teil eklatant und bedürfen einer weitergehenden Analyse. Diese Fragestellung besitzt insbes. bei einer steigenden Anzahl von umrichtergespeisten Batteriespeichern erhöhte Bedeutung auch bei konventionellen Wechselrichtern. Dem Aufbau eines GS-Zwischenkreises mit Batterie und Zwischenkreiskapazitäten ist daher mehr Aufmerksamkeit zu schenken als bisher, wenn die Lebensdauer der Batterie und die Qualität der Netzdienstleistungen hoch sein sollen. Die systematischen Zusammenhänge zwischen GS-Zwischenkreis, Leistungselektronik, Netz und Maschinenmodell der VISMA sind Bestandteil weiterer Arbeiten. Die durchgeführten Lebensdauerversuche haben gezeigt, dass die Reihenfolge der Belastungen Einfluss auf die Kapazitäts- und Widerstandsentwicklung von Lithium-Ionen-Zellen haben. Die Nachbildung dieses Verhaltens durch eine entsprechende Modellbildung und anschließende Simulation wird weiterhin verfolgt. Die entwickelten Modelle erlauben die Berechnung der Alterung zeitdiskret über einen langen Zeitraum. Als Eingangsparameter genügt dabei der zeitliche Stromverlauf, alle anderen lebensdauerrelevanten Größen wie Temperatur, Ladezustand und Spannung der Batterie können mit Hilfe eines Klemmenspannungs- und thermischen Modells berechnet werden. Das für LFP-Zellen entwickelte Modell zeigt dabei trotz des atypischen Verhaltens im mittleren Ladezustandsbereich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen Daten und Simulation. Der Ansatz zur Bestimmung der Degradation ist durch weitere Versuche mit Variation von mittlerem Ladezustand und Ladezustandshub zu festigen und eine elektrochemisch / physikalische Erklärung für das beobachte Alterungsverhalten zu finden. Einiges deutet auf eine erhöhte Degradation der LFP-Elektrode hin. Aufschluss dazu können Post-Mortem-Analysen bringen. Bei V2G-Anwendungen kann davon ausgegangen werden, dass die Benutzung der Fahrzeugbatterie eher bei höheren Ladezuständen erfolgt, LFP-Zellen deshalb keine besondere Schädigung erfahren. Für den stationären Einsatz oder bei der Anwendung in einem (Plug-In-)Hybridfahrzeug ist darauf zu achten, dass eine Zyklisierung im SOC-Bereich zwischen 45 und 55 % möglichst vermieden wird. Insgesamt hat das Projekt gezeigt, dass trotz weltweiter Bemühungen noch immer zahlreiche Fragestellungen unbeantwortet geblieben sind. Dieses motiviert in besonderer Art und Weise, die hier dargestellten Forschungen weiter voranzutreiben, um Alterungseffekte von Batterien bei Umrichterbetrieb z.B. durch entsprechende Filter zu minimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ereignisbasiertes Lebensdauermodell für Lithium-Ionen-Batterien, E-Motive Konferenz, München, 2015
Eric Lando, Ralf Benger, Heinz Wenzl
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Ageing of lithium-ion batteries in high dynamic applications, Kraftwerk Batterie, 26.-27. April 2016, Münster
Ralf Benger, Lennart Beushausen, Heinz Wenzl, Hans-Peter Beck
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Virtual Inertia with high power batteries, International Renewable Energy Storage Conference (IRES) 2016, 16.-17.03.2016, Düsseldorf
Ralf Benger, Lennart Beushausen, Heinz Wenzl, Hans-Peter Beck
