Versuchsplanung für Lithium-Ionen Batteriesysteme. 17. September 2010 S. Doczy

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1 Versuchsplanung für Lithium-Ionen Batteriesysteme 17. September 2010 S. Doczy

2 Inhalt Einleitung MAGNA E-Car Systems Serienentwicklung Batteriesysteme Analyse der Einflussfaktoren auf die Alterung Versuchsplanung Zelle Batteriesystem Testergebnisse Zelle Batteriesystem Auswirkung auf die Versuchsplanung Ausblick 2

3 Management Structure Don Walker Co-CEO Vincent Galifi EVP & CFO Siegfried Wolf Co-CEO Peter Koob EVP Corporate Development Jim Tobin EVP Bus Dev, President Magna Asia Horst Prelog COO Tom Skudutis COO Herbert Demel COO Carlos Mazzorin COO Cosma International Magna Seating Magna Exteriors and Interiors Magna Mirrors Magna Closures Magna Powertrain Magna Steyr Magna Electronics Magna E-Car Systems H. Prelog President J. Pittel President R. Brownlee / E. Winkler Presidents F. Seguin / E. Winkler Presidents J. Hirsch President G. Apfalter President C. Mazzorin President P. Reif / T. Robertson (NA) Presidents Body & Chassis Systems Seating Systems Interior Systems Exterior Systems Vision Systems Closure Systems Powertrain Systems Complete Vehicle Engineering & Assembly Roof Systems Electronic Systems Hybrid & Electric Vehicles/ Systems 3

4 History Serial Development EV in Europe, 2010 Energy Battery Serial Production, 2010 SOPHeavy Duty Battery Pack, 2009 Ford Focus E, 2008 Development Tandem E-Drive, 1995 Project EUROPED, 1994 VW Golf Electric Car, 1992 Fiat Panda Elektra, 1989 BMW E1G, 1996 Project E-Taxi Mercedes C-Klasse, 1996 Hybrid-Powertrain development, Framework EU-Project, 2005 LI-ION Battery-System (LIBS), 2004 Research Project: Hybrid-System-Development, 2003 LI-ION Battery-System 2. Gen, 2007 HYSUV, 2007 Mila EV, 2008 Mini EV, 2008 HICEPS,

5 E-Mobility Market & Battery System Design Volume/ Mio 7 6 Market Forecast PHEV/REX EV Mild Hybrid Full Hybrid Life high very high medium medium Power high very high medium medium Energy very low low high high Specific battery design for each market segment to fulfill E-Mobility requirements! 5

6 Serial Programs As announced in the press release dated June 9, 2009 Magna Steyr has been appointed to launch the serial production of battery systems for a majortruck and Bus OEM in Graz. TECHNICALDETAILS: Energy content: 4,9 kwh Power: 120 kw Nom. Voltage: 600 V Weight: 210 kg Volume:230 l Cells: cylindrical Li-Iron Phosphate Numberof Modules: 11 Dimensions(L/W/D): 740mmx615mmx505mm Design Start:02/2007 SOP: Q3/2009 first to market 6

7 Heavy Duty Pack for Full Hybrids Technical Specification: Cooling inlet/ outlet Energy Content: 2,5 7 kwh Power: kw Battery Weight: 210 kg Cooling: liquid SOP Q3/2009 First to Market Proven Technology Single Module: L x D x H: 265 x 103 x 436 mm Cylindric Cells Module Weight: 11 kg Number of Cells / Module: 36 Peak Power: 15 kw Cell Supervision Circuit Cooling Modules with Cylindric Li-Ion cells HV Connector Battery Disconnect Unit (BDU) LV Connector Battery Management Unit 7

8 Systemanforderungen Energiefenster Ein Teil des Energieinhalts wird als nutzbares Energiefenster festgelegt Leistungsfähigkeit Ladeleistung bis zu max. Ladungszustand Entladeleistungab min. Ladungszustand Lebensdauer Definition von Kriterien für Ende der Lebensdauer 75% der Leistungsfähigkeit 50% des Energiefensters Zyklus kundenspezifische Verwendung Leistungsanforderungen Betriebsstunden Energiedurchsatz 8

9 Analyse Alterungseinflüsse Temperatur 35 C + 55 C + Mittlerer Ladungszustand (SOC) < 10 C Mittlere Leistung Operation temperature [ C] required possible SOC Fenster SOC SOC Setpoint 0 Maximale Leistung Power Energy throughput over servic time A1 = A2 SOC Verlauf SOC Time range in hours Dauer maximale Leistung Power A1 A2 time Duty cycle Time range in seconds testing bus truck Verhältnis Lade- zu Entladestrom time operation time rest time per day Charge Discharge I ch /I dch time 9

10 Versuchsplanung Zelle Parameter definieren Referenztest mit Referenzzyklus Temperatur Mittlerer Ladungszustand (SOC) SOC Fenster Mittlere Leistung Maximaler Strom Dauer max. Strom Verhältnis max. Lade-/Entladestrom Duty cycle Variation der Parameter um Auswirkungen zu testen Im Vergleich zu Referenztest Änderung von Anforderungen 10

11 Versuchsplanung Zelle Definition Zyklus Einfache Reproduzierbarkeit Variation der Parameter mit bzw. im Zyklus Ladungsdifferenz je Zyklus 11

12 Versuchsplanung Zelle Variation - Verhältnis max. Ladezu Entladestrom Variation - Dauer max. Strom 12

13 Versuchsplanung Zelle Definition Versuchsablauf Einsatz Ressourcen verfügbare Zellkanäle 240A, 5V 100A, 5V Anzahl Zellen je Test Definition Charakterisierungstests Kapazitätsbestimmung Leistungsfähigkeitsbestimmung (HPPC) Definition Abbruchkriterien Zeit Kapazitätsverlust Zeitliche Anordnung der Tests Priorisierung 13

14 Ergebnisse Zelle - Referenztest Referenztest (center point) 10 Zellen Mittelwert und Hüllkurve 14

15 Ergebnisse Zelle Variation eines Parameters Verhältnis max. Lade- zu Entladestrom 3 Zellen je Test Dauer max. Strom 3 Zellen je Test 15

16 Versuchsplanung System Unterschiede Zelle -System Kühlung Balancing Kundenspezifischer Zyklus Ressourcen Zyklisierer (750V, 250kW) Kühlung Temperaturkammer Variation der Parameter Kühlungseingangstemperatur 16

17 Ergebnisse System 17

18 Ausblick Projektanforderungen Reduktion der Testanzahl Reduktion der Testzeit Übernahme von Ergebnissen Herausforderungen Zellmodellierung Beschleunigte Testverfahren mit gezielter Alterung Bewertung der Überlagerung von kalendarischer Alterung und Alterung durch Zyklisierung Lebensdauerabschätzung für beliebige Zyklen 18

19 GET ENERGIZED Dr. Stefan Doczy