Einfluss der Batteriestreuung und Lebensdauer auf das Batteriesystemdesign

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1 Einfluss der Batteriestreuung und Lebensdauer auf das Batteriesystemdesign 3. Elektromobilproduktionstag Aachen, Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen ISEA ESS Von der Zelle zum System Batterie- Tests Modellierung & Alterungsprädiktion Analyselabor Systemintegration Monitoring & Management -2.0 Im(Z) / mω khz 10 Hz 0.1 Hz 0.01Hz 100 Hz 1 Hz Re(Z) / mω batteries@isea.rwth-aachen.de 2

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3 Test center Hüttenstrasse 2 MW power supply > 500 test benches for cells and modules (20 A 1500 A, 6 V 100 V) 6 pack test benches ( kw, up to 800 V) Vibration test bench Temperature chambers Climate chamber Water bath 5 Partner im elab Experten für elektrische Antriebsstränge Experten für Schweißen und Fügen. Experten für Produzierbarkeit. Experten für Elektrische Maschinen. Experten für Leistungselektronik. Experten für Batteriesystementwicklung Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer 6

4 In einer Serienschaltung von Lithium-Ionen-Batteriezellen bestimmt die schlechteste Zelle ultimativ die Performance des Gesamtstrangs. 7 Lithium-Ionen Systeme: Sicherheit Kollektorkorrosion Normaler Betrieb Entladung des Metalloxidschwamms Zulässiger Betriebsspannungsbereich Folie 8

5 Grundlegendes Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien Folie 9 Ruhespannungskurven der Einzelelektroden eine NMC-Zelle Kathode Anode Zelle voll Zelle leer Zelle leer Zelle voll In der Kathode verbleiben etwa 40% der Lithiums im vollgeladenen Zustand Folie 10 Prof. Sauer

6 Lithium plating Sichere und gefährliche Spannungsbereiche Negative 4.2 V (voll geladen) C 6 / LiMeO 2 (Me Co, Ni, Mn, Al) 3.6 V (voll geladen) C 6 / LiFePO 4 Positive Thermal runaway sicher sicher sicher 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 2.7 V (voll geladen) LTO / LiMeO V (voll geladen) LTO / LiFePO 4 Potential vs. Li/Li + [V] Thermal runaway sicher 11 Lithium-Plating - Folgen Alterung Sicherheitsrisiko gasgeber.wordpress.com/ gasgeber.wordpress.com/ 12 Folie Madeleine Ecker

7 Li-Ionen-Batterie System Jede Zelle wird überwacht 26 Zellen parallel, 53.3 Ah, 197 Wh,3.7 V 80 Zellen, 144 V, 15,36 kwh Folie 13 Prof. Sauer Gesteuerte Passive Ausgleichsysteme Stand der Technik Bestandteile: Komparator, Schalter und Bypass-Widerstand Vorteile Einfach + kostengünstig Nachteile Langsamer Ausgleich (I<1 A) Keine Temperaturkorrektur Schlechter Wirkungsgrad Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Folie 14

8 Solid Electrolyte Interface (SEI) Wichtigster Alterungseffekt Laden Folie 15 Prof. Sauer Kapazitätsverlauf über äquivalenten Vollzyklen für 48 Sanyo Zellen Kapazität [Ah] Zyklen Folie 16 Prof. Sauer

9 Kapazitätsverlauf über äquivalenten Vollzyklen für 48 Sanyo Zellen Kapazität [Ah] Zyklen Folie 17 Prof. Sauer Zellverschaltung Niedervoltsysteme und Parallelschaltung von Zellen Problem: Streuung der Alterung über die Zeit Statistische Verteilung 48 Zellen, Sanyo 18650, Zyklentest mit 1 C, Vollzyklen 18

10 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Gründe für Auseinanderlaufen der Performance Produktionsstreuung Materialinhomogenitäten Temperaturverteilung im Batteriepack Zellverschaltung Niedervoltsysteme und Parallelschaltung von Zellen Problem: Streuung der Alterung über die Zeit Alterung in Strängen seriell verschalteter Zellen wird bestimmt durch schwächste Zelle Lösungsansätze Methoden zur Selektion der Zellen nach Lebensdauererwartung Aufbau von Packs mit unterschiedl. Lebensdauererwartung 48 Zellen, Sanyo 18650, Zyklentest mit 1 C, Vollzyklen Verringerung des statistischen Risikos durch modularen Niedervoltaufbau Verringerung des statistischen Risikos durch massive Parallelschaltung auf Zellniveau Tesla Prinzip 20

11 Verschaltungsmöglichkeiten Serienschaltung Modulare Einzelstränge hohe Spannung, keine Redundanz 21 Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer geringe Spanung hohe Redundanz hohe Flexibilität bei Auswahl oder Alter der Zellen hoher BMS-Aufwand Verschaltungsmöglichkeiten Strangweise Parallelschaltung Parallelschaltung auf Zellebene geringe Spannung, hohe Redundanz geringe Wechselwirkungen bei Zellfehlern hoher BMS-Aufwand geringe Spanung hohe Redundanz geringer BMS-Aufwand Querströme zwischen parallelen Zellen Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer 22

12 Korrelationsanalyse von Anfangsattributen und Lebensdauer ( Big data -Analyse) Problem: Streuung der Alterung über die Zeit Identifizierung von Impedanz- und Kapazitätsparametern für Lebensdauerprognose 48 Zellen, Sanyo 18650, Zyklentest mit 1 C, Vollzyklen Relativ einfach zu messende Parameter zu Beginn der Lebensdauer erlauben Selektion Parameter aber wahrscheinlich unterschiedlich für jeden Zelltyp 23 Modulare Batteriepacks eröffnen flexiblere Kundenangebote Modularität erlaubt kundenspezifische Auslegung der Reichweite Kunde kann bei veränderten Lebensbedingungen die Reichweite anpassen Hochleistungs- und Hochenergiebatterien können je nach Kundenwunsch kombiniert werden Batteriepacks verschiedenen Alters und verschiedener Hersteller können gemischt werden Teilaustausch der Batterie ist möglich Herausforderungen: Modulare Batteriemanagementsysteme Standardisierte Schnittstellen Starke Kostensenkung bei Sicherungen und Schützen ( Halbleiterschalter) notwendig 24

13 Kleine Zellen ermöglichen variable Formfaktoren Modulares Batteriepackkonzept Makrozellen mit parallelen Einzelzellen Formfaktor der Makrozellen lässt Verformung des Packs im Crashfall zu 25 Zellverbinder als thermische Sicherung Parallelschaltung ist zwingend geeignet abzusichern z.b. Bonddrähte 26

14 Zellverbinder als thermische Sicherung Parallelschaltung ist zwingend geeignet abzusichern z.b. Bonddrähte 27 Kleine Zellen ermöglichen variable Formfaktoren Modulares Batteriepackkonzept Makrozellen mit parallelen Einzelzellen Formfaktor der Makrozellen lässt Verformung des Packs im Crashfall zu 28

15 Funktionsprinzip Crashaktives System Folie 29 Crashsicherheit in mobilen Anwendungen Zellen müssen zwingend gegen Deformation geschützt werden Massives Gehäuse & Einbau außerhalb der Crashzonen Crashaktives, modulares Gesamtkonzept Hauptlastfall für das Heckpack ist der Heckaufprall Hauptlastfall für das Tunnelpack ist der IIHSund Pfahl-Seitenaufprall 30

16 Zusammenfassung Schwächste Zelle bestimmt in Serienschaltungen die Performance. Streuung der Performance der Zellen nimmt mit zunehmender Alterung erheblich zu. Modulare Niedervoltsysteme und massive Parallelschaltung erhöhen die Zuverlässigkeit und verlängern die Packlebensdauer. Durch massive Parallelschaltung lassen sich auch Batteriezellen geringerer Qualität mit größerer Streuung verarbeiten. Kleine Batteriezellen ermöglichen flexiblere Packagingoptionen für bessere Verteilung der Batterie im Fahrzeug. 31 Einfluss der Batteriestreuung und Lebensdauer auf das Batteriesystemdesign 3. Elektromobilproduktionstag Aachen, Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen