Entwicklung optimierter Batteriesysteme und Lebensdauerprognose

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1 Entwicklung optimierter Batteriesysteme und Lebensdauerprognose Batterietag Münster, Prof. Dr. Professur Elektrochem. Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Batteriesystem kostet ~35% der Gesamtkosten Quelle: Boston Consulting Group, 29 Batterietag NRW Münster 21 Folie 2

2 Das Batteriesystem ist die Schnittstelle zwischen Batteriezellen und der Anwendung wird in sehr großer Variantenzahl hergestellt werden bestimmt ganz wesentlich die Zufriedenheit der Kunden (Lebensdauer, Ladezustandsanzeige, Lebensdaueranzeige) bestimmt ganz wesentlich die Lebensdauer (thermische Management, elektrisches Management, mechanischer Aufbau) wird trägt rund 25-35% zu den Gesamtbatteriekosten in Massenanwendungen bei; in Anwendungen mit kleinen Stückzahlen deutlich mehr wird für viele Anwendungen und Komponenten auch eine Domäne von KMU sein Batterietag NRW Münster 21 Folie 3 NRW-Zentrallabor für die Entwicklung und Integration von Komponenten und Konzepten von Batteriepacks Prüfgeräte Zyklentester Impedanzspekt. Maschinen, Materialien gorithmen Hardware Prototypenpacks für Test von Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit inkl. Crash Zellen selektieren Zellen charakterisieren IKT-Schnittstelle Ladegeräte Prototypenbau Batteriepacks Verbindungstechnik Zellen Physikalisch-chemische, elektrische & thermische Modelle Lebensdauerprognose Standards, Normen Batteriemanagement, Diagnostik, Zellbalancing Kühltechnik Elektrische Sicherheit Thermisches Menagement Simulation, Auslegung Prototypen für Felderprobung, Gesamtfahrzeugtests und V2G-Konzepte Isolation, Stecker, Batterietag Fertigungstechniken NRW Münster 21 Schütze & SicherungenFolie 4

3 case SE34 SE35 SE36 contact case SE4 SE5 SE6 contact case SE1 SE2 SE3 contact batt Lebensdauerprognose für Feldanwendungen ortsaufgelöste Modelle für Stromdichten, Potentialen, Ionenkonzentrationen & Temperaturen systematisch kalendarische und zyklische terungstests Belastungsprofil (I, P, T Umgebung ) Modelle der terungsprozesse Anpassung der Parameter des elektrischen Modells Prognose der Lebensdauer Post-Mortem-Analyse zur Indentifikation der terungsprozesse und -geschwindigkeiten Batterietag NRW Münster 21 Folie 5 Ortsaufgelöstes thermisch-elektrische Li-Ion Modell Wechselwirkung von Stromverteilung auf Wärmegeneration wird berücksichtigt Designtool zur Auslegung von Zellstacks und Kühlsystemen Z θ OCV34 OCV4 OCV1 Elektrische Größen (U, SOC, Z,...) r I(t) OCV35 OCV5 OCV2 OCV36 OCV6 OCV3 Ortsaufgelöstes elektr. Batteriemodell P heat RKonv RLeit dq/dt C Ti RStrahl Ta TUmg impedanzbasiertes elektrisches Modell (Wärmegenerationsmodell) Wärmetransfermodell (FDM-Ansatz) Temperaturverteilung Thermisches Modell Batterietag NRW Münster 21 Folie 6

4 Einfluss thermischer Gradienten auf den lokalen 65 Ladezustand 6 SOC [%] Δ SOC outer j.r. = 15.9% Δ SOC middle j.r. = 22.7% Δ SOC inner j.r. = 24.4% 4 inner jelly roll middle jelly roll 35 outer jelly roll 5 1 t [s] 15 Doppelte Belastung in wärmeren Bereichen: höhere Temperatur und höhere Entladetiefe führt zu einer Beschleunigung der Batteriealterung Herausforderung für den Systemdesigner: Homogenisierung der Zelltemperatur Batterietag NRW Münster 21 Folie 7 Partikelkonzentration J p Aktivmassenpartikel c dt 1 = 2 r d Ds r dr dc dr d d c1 Randbeding ung : Ds = d r r= R p J p F Binder und leitendes Füllmaterial Dirk Stefan Uwe Käbitz Sauer Batterietag NRW Münster 21 Folie 8

5 Konzentration in einer Polymer-Elektrolyt-Batterie (Hochenergiedesign) c [mol/dm 3 ] Kathode Entladerate Entladen 3C-Rate Separator Anode 1 min 1 min 5 min 5 min Volumenelement Element No. Nr Dirk Stefan Uwe Käbitz Sauer Batterietag NRW Münster 21 Folie 9 Spannungsantwort auf Strompulse einer Hochleistungsbatterie 4.2 2C 4C 7C 1C 15C 2C Messung Simulation 4 U [V] t [s] Dirk Stefan Uwe Käbitz Sauer Batterietag NRW Münster 21 Folie 1

6 Elektrisches Prüflabor (aktuelle Erweiterung in laufenden Projekten) Elektrische Prüfkreise ca. 2 automatische Lade-/Entladeeinheiten Spannungsbereich 6 V und - 18V Strombereiche ±3A, ±1A, ±5A, ±1A, ±15A, ±2A, ±3A, ±5A oder höher durch Parallelschaltung, Kaltstartteststand bis 15A 7 Prüfkreise für Batteriepacks (6 x 8 kw, 1 x 24 kw) Spannungen 5 bis 8 V, Strom bis 4 A Impedanzspektroskopie Mehr als 7 Messkanäle für Batterien aller Art Temperaturkammern ca. 45 Temperaturkammern C ca. 4 Temperaturöfen C für Lager- und Floattests Batterietag NRW Münster 21 Folie 11 Cycling Tests (1% DOD bei verschiedenen SOCs) 1 9 Cycling Tests 8 7 SOC [%] Cycle 1: 8-9 % SOC Cycle 2: 4-3 % SOC Cycle 5 / 6: % SOC time [min] Batterietag NRW Münster 21 Folie 12

7 Cycling Test (6% DOD, mittlerer SOC 6%) SOC [%] Cycling Tests Cycle 3: 9-3 % SOC time [min] Batterietag NRW Münster 21 Folie 13 Cycling Test (6% DOD mit überlagerten Mikrozyklen) SOC [%] Cycling Tests Cycle 4: combined time [min] Batterietag NRW Münster 21 Folie 14

8 Labor für Post-Mortem-Analysen im Aufbau als Partner im Kompetenzverbund Nord (KVN) Batterietag NRW Münster 21 Folie 15 Zusammenfassung Batteriesystemtechnik hat wesentlichen Anteil an den Batteriepackkosten Batteriesystemtechnik ist die zentrale Schnittstelle zum Kunden Batteriepacks enthalten Komponenten und Kompetenzen von vielen verschiedenen Zulieferern Lebensdauerprognose ist die zentrale Herausforderung für alle Anwendungsbereiche und den Markteintritt Kombination von elektrischen Tests, detaillierter Modellierung und elektrochemischen Post-mortem-Analyse der terungseffekte notwendig Batterietag NRW Münster 21 Folie 16

9 Entwicklung optimierter Batteriesysteme und Lebensdauerprognose Batterietag Münster, Prof. Dr. Professur Elektrochem. Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen