Vergleich zweier Batterietechnologien für Mikrohybridfahrzeuge

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Variablenverzeichnis

1. Einleitung

2. Modellbildung der Batterie
2.1. Batterie - Eine kurze Einführung
2.1.1. Blei-Batterie
2.1.2. Lithium-Batterie
2.2. Das Impedanz basierte Modell für Batteriesysteme
2.2.1. Einführung
2.2.2. Die Grundgleichung zur Beschreibung der Klemmenspannung
2.2.3. Die Identifikation der Parameter des Impedanz basierten Modells
2.2.4. Die Darstellung von Parametern in Abhängigkeit vom SOC
2.2.5. Die Valiadation des Impedanz basierten Modells
2.2.6. Batteriesysteme für Mikro-Hybridfahrzeuge
2.3. Vergleich zweier Batterietechnologien für Mikrohybridfahrzeuge
2.3.1. Audi Simulationergebnisse
2.3.2. Fabia Simulationergebnisse
2.3.3. Bewertung der Simulationen:

3. Messungen
3.1. Messungen zur Identifikation von Parametern des Modell
3.1.1. Messung 1 am 27-05-09
3.1.2. Messung 2 am 27-05-09
3.1.3. Messung 3 am 28-05-09
3.1.4. Messung 4 am 28-05-09

4. Zusammenfassung

A. Anhang
A.1. Savitzky-Golay-Smoothing Filters
A.2. Datenblatt der untersuchten Lithium-Batterie
A.3. Das Simulink-Modell von Lithium-Batterie-Ion
A.3.1. Das Batterie-Modell
A.3.2. Die Einstellung von Ri
A.3.3. Die Einstellung von Uruhe
A.3.4. Die Einstellung von Ciange

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

2.1. Entladereaktion einer galvanischen Zelle am Beispiel des Zink-Kupfer Elements[2]

2.2. LiFePo4 YT26650FP Klemmenspannung

2.3. LiFePo4 YT26650FP Zyklenfestigkeit

2.4. Impedanz basierte Modell

2.5. Impedanz basierte Modell

2.6. Theoretischer Kurvenverlauf von Klemmenspannung mit pulsförmigem Laststrom

2.7. Klemmenspannung

2.8. Messung der Klemmenspannung mit dem Oszilloskop

2.9. Die Parametern des Modells mit Zo=2C in Abhängigkeit vom SOC, Teil

2.10. Die Parametern des Modells mit Zo=2C in Abhängigkeit vom SOC, Teil

2.11. Klemmenspannung, ijast = 1C, 40%<SOC<100%

2.12. Klemmenspannung, ijast = 2C, 34%<SOC<100%

2.13. Klemmenspannung, ijast = 3C, 37,5%<SOC<100%

2.14. Klemmenspannung, iiast = 4C, 45%<SOC<100%

2.15. SOC^fg

216 I Sodfgl - SOCoptim<il I

2.17 . Kraftstoffverbrauch

2.18. Ladungumsatz

219. SOC°fg

2.20. I SOcCAnfmg - SOC0g,m,alI

2.21. Kraftstoffverbrauch

2.22. Ladungumsatz

A.1. Die Gleichung(2.24)

A.2. Die Gleichung(2.23)

A.3. Die Gleichung(2.28)

Tabellenverzeichnis

2.1. Maximale relative Fehler in Abhängigkeit der Stromstärke

3.1. Die Messung

3.2. Die Bewertung der Messung

3.3. Die Messung

3.4. Die Bewertung der Messung

3.5. Die Messung

3.6. Die Bewertung der Messung

3.7. Die Messung

3.8. Die Bewertung der Messung

A.1. Savitzky-Golay Filterkoeffizienten

A.2. Die Bezeichungen von der Parametern des Battrie-Modells in Simulink

1. Einleitung

Mikro-Hybridfahrzeuge sind keine Seltenheit mehr. BWM setzt hier auf seine Fahrzeuge mit „ef­fizienter Dynamik". Selbst ein Smart wird bereits mit Start-Stop angeboten. Alle diese Fahrzeuge arbeiten aber immer noch mit den sehr günstigen Bleibatterien. In der Studienarbeit soll unter­sucht werden, wie sich die Mikro- Hybridarchitektur auf die Batteriezyklisierung auswirkt. Als Batterie soll einmal eine herkömmliche Bleibatterie und einmal eine moderne Lithium-Batterie untersucht werden. Da kein Modell einer Lithium-Batterie existiert soll dieses in der Arbeit un­ter Simulink erstellt werden. Bei dem Modell der Lithium-Batterie handelt es sich hier um ein Impedanz basiertes Modell. Die Parameter des Modells werden durch Messungen ermittelt. Die Schlussarbeit basiert auf einer Längsdynamiksimulation für Kraftfahrzeuge in Matlab/Simulink. Durch diese Simulationen bewertet man die technischen bzw. wirtschaftlichen Vor- und Nachteile der jeweiligen Batterietechnologien.

2. Modellbildung der Batterie

2.1. Batterie - Eine kurze Einführung

Batterien gehören zu den elektrochemischen Stromquellen[1]. Eigentlich ist der Begriff „Batterie" der Oberbegriff für mehrere in Serie geschaltete galvanische Zellen (oder galvanische Elemente), die zu einem Paket zusammengefaßt in einem Batteriegehäuse untergebracht sind. Das Funkti­onsprinzip der galvanischen Zelle basiert auf einer chemischen Reaktion, bei der chemische Kom­ponenten von einem Zustand höherer Energie in einen Zustand geringerer Energie umgewandelt werden. Die energieliefernde Reaktion, die Entladung, ist aus zwei räumlich getrennten, aber mit­einander gekoppelten Teilreaktionen (Elektrodenreaktionen) zusammengesetzt.

Bei der Entladung der Zelle findet an der negativen Elektrode(Anode) ein Oxidationsprozeß statt, bei welchem Elektronen freigesetzt werden. Hingegen wird an der positiven Elektrode(Kathodeseite) parallel dazu die entsprechende Menge von Elektronen über einen Reduktionsprozeß aufgenom­men.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Entladereaktion einer galvanischen Zelle am Beispiel des Zink-Kupfer Elements[2]

Das Abb.2.1 zeigte ein Daniell-Element mit einer Spannung von 1,11 Volt. Da Kupfer das edlere Metall ist, liegt es vorzugsweise reduziert vor:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

durch den Draht zur Kupfer-Elektrode. Die Zink-Elektrode löst sich also auf, da das Zink als Zink(II) in Lösung geht. Im Gegenzug scheidet sich Kupfer an der Kupferelektrode ab, da die Kupfer(II)-Ionen reduziert werden. Die Salzbrücke dient dazu den Stromkreis zu schließen, da durch die Wanderung der Elektronen ein Ladungsausgleich stattfinden muss.

Die beiden Elektroden sind durch einen Elektronen undurchlässigen aber ionenleitfähigen Separa­tor isoliert. Dieser Separator sorgt dafür , dass kein Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden entsteht und dass sich das Ion von einer Elektrode zur anderen bewegen kann. In der Praxis wird der größte Teil der Separatoren aus Glasfaser oder Polyethylen hergestellt.

Batterien können in zwei Gruppen unterteilt werden:

- Primärzellen: sind die Zellen, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen wer­den können. Sie werden meist als Trockenbatterie ausgeführt. Die meisten auf dem Markt verkauften Primärzelle sind zum Bsp.: Alkali-Mangan-Batterien oder Zink-Kohle-Batterien.

- Sekundärzellen: sind die Zellen, die nach der Entladung wieder neu aufgeladen werden können. Im Rahmen der Studienarbeit werden nur die Blei-Batterien und die Lithium-Batterien behandelt. Im folgenden werden die beiden Batterietypen kurz vorgestellt.

2.1.1. Blei-Batterie

Der Blei-Säure-Akku wurde vor etwa einem Jahrhundert auf den Markt gebracht. Trotz der alten Technologie wird die Bleibatterie wegen der einfachen Herstellung und niedrigen Kosten weiter massenhaft produziert. Der Blei-Säure-Akku ist somit fast für alle Anwendungen die billigste Lösung und besitzt viele gute Eigenschaften.

Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Großen Mengen und diversen Dimensionen verfügbar.

- Gutes Verhalten bei hohen und niedrigen Temperaturen.
- Wirkungsgrad von ca. 80%.
- Einfaches Überprüfen der verbliebenen Kapazität.
Nachteile
- Geringe Zyklenfestigkeit.
- Niedrige Energiedichte, weshalb die Blei-Batterie relativ schwer ist.
- Bei übermäßiger Gasung besteht Explosionsgefahr.

2.1.2. Lithium-Batterie

Lithium-Batterien werden durch eine hohe Energiedichte und niedrige Selbstentladung charak­terisiert. Wegen der thermischen Instabilität und hohen Kosten befindet sich die Lithium-Batterie noch in der Entwicklungphase. Lithium-Batterien können nach Umgebungstemperatur(Ambient Temperatur) in 5 Gruppe unterteilt werden^[2]:

- Zellen mit flüssigen organischen Elektrolyten: Festkörperkathode aus Einlagerungsverbin­dungen, Anode aus metallischem Lithium und flüssigem organischen Elektrolyten. Beispie­le: Li/MoS2, Li/MnO2, Li/TiS2.
- Festelektrolytzellen: Festkörperkathode aus Einlagerungsverbindungen, Anode aus metal­lischem Lithium und Elektrolyt aus festem Polymer. Beispiele: Li/PEO — LiClO4/V6O13.
- Lithium-Ionen-Zellen: Beide Elektroden aus Einlagerungsverbindungen und flüssigem oder festem Polymer-Elektrolyten. Beispiele: LixC/LiCoO2, LixC/LiNiO2, LixC/LiMn2O4.
- Zellen mit anorganischem Elektrolyt: Flüssige Kathode, die gleichzeitig als Lösungsmittel des Elektrolyten dient. Beispiele: Li/SO2, Li/CuCl2.
- Lithium-Legierung Zellen: Anode aus Lithium-Legierung, flüssiger organischer Elektrolyt, verschiedene Kathoden. Beispiele:LiAL/MnO2, LiAl/V2O5, LiAl/C, LiC/V2O5, LiAl/Polymer.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist wegen der guten thermischen Stabilität und der hohen Zyklenfe­stigkeit am interessantesten . Die Zelle hat eine niedrigere Energiedichte als die Zellen, die me­tallisches Lithium verwenden, zeichnet sich aber durch erheblich größere Sicherheit, Stabilität der Parameter. Ein Batterie Typ, an dem momentan stark gefoscht und bereits auf dem Markt gebracht wurde, ist Lithium-Eisen-Phosphat. Die folgenden Eigenschaften von Lithium-Eisen- Phophat sind besonders geeignet für die Automobilindustrie:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch die Messungen wurden die Paramtern des Modells für Lithium-Batterien ermittelt. Für weiterführende Informationen über die Batterie wird auf die Fachliteratur[14],[15],[13] im Litera­turverzeichnis verwiesen.

2.2. Das Impedanz basierte Modell für Batteriesysteme

2.2.1. Einführung

Charakteristisch für Batterien ist ihr hochgradig nicht-lineares Verhalten. Die Ruhespannung, in­nere Widerstände und Kapazitäten variieren mit dem Ladezustand, der Temperatur, der Lebens­dauer und der Alterung. Unter Alterung wird bei Batterien ein Nachlassen der entnehmbaren Kapazität mit zunehmender Lebensdauer verstanden. Das zu erstellende Batteriemodell soll die für die Anwendung relevanten Charakteristiken gut abbilden können. Im Folgenden ist die we­sentliche Anforderung für das Modell:

- Darstellung des vom Ladezustand bzw. Stromstärke abhängigen nicht-linearen Spannungs­verlaufs.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wobei:

- V_oc: Ruhespannung.
- R_i: Innenwiderstand bedingt durch den ohmschen Widerstand von Ableitern, Aktivmate­rialien der Elektrolyten.
- L: Parasitäre Induktivitätsanteil.
- i_v: Verluste durch Nebenreaktionen.
- R_k, C_k, R_d, C_d sind die Modellierungen für Durchtrittsüberspannung, Diffusionsüber­spannung und Kristallisationsüberspannung.

Durchtrittsüberspannung, bedingt durch die notwendige Aktivierung der Teilchen beim Ladungsdurchtritt.

Diffusionsüberspannung, bedingt durch den Ladungstransport und die begrenzte Diffusi­onsgeschwindigkeit der Ladungsträger im Elektrolyten.

Kristallisationsüberspannung, bedingt durch die Bildung von Kristallisationskeimen

2.2.2. Die Grundgleichung zur Beschreibung der Klemmenspannung

In der Praxis verwendet man das Impedanz-basierte Modell mit den folgenden Vereinfachungen:

- Parasitäre Induktivitätsanteil wird wegen dem Betrieb der Batterie mit niedrigen Frequen­zen nicht berücksichtigt.
- Verluste durch Nebenreaktionen bzw. Selbstentladung werden vernachlässigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Impedanz-basierte Modell wird wie folgend dargestellt:

Die Bezeichnung „lange" bzw. „kurz" ist wegen Tlange=RlangeQange>Tkurz=RkurzCkurz.Wobei Tlange

und Tkurz, die Zeitkonstanten des jeweils RC-Glieds sind.

Bemerkung:Bei der folgenden Arbeit wird ein mit Strom als Eingangsgröße bzw. Spannung als Ausgangsgröße verwendendes Batterie-Modell erstellt.

A.Die Klemmenspannungsgleichung: Maschenregel aus Abb.2.5

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

B.Puls-Entladekurve der Klemmenspannung: Die Batterie wird mit pulsförmigen Strömen be­lastet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.6: Theoretischer Kurvenverlauf von Klemmenspannung mit pulsförmigem Laststrom

Die Spannung Ukurz, Ulange in Abb.2.5 sind kaum messbar. Um die Berechung von Ukurz, Ulange zu ermöglichen, muss folgende Annahme getroffen werden:

Während der Pulsdauer des Laststroms sind Ciange, Ckurz voll aufgeladen. Das bedeutet, der Strom läuft im RC-Glied unmittelbar vor der Pulspause hauptsächlich nur durch Wider­stand Rkurz bzw. Riange. Um solche Annahme in der Praxis treffen zu können, sollte die Puls­dauer des Laststrom >= 180 Sekunden (da nach den Literaturwerten : 30s<Tiange<80s und 4s<Tkurz<20s betragen).

Mathematische Betrachtung:

ulange(t T0 ) ulange(t T0 ) i0Rlange und ukurz(t T0 ) ukurz(t T0 ) i0Rkurz (2.4)

Die Annahme (2.4) spielt im Rahmen der Arbeit eine wichtige Rolle zur Festlegung der Parameter des Modells.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Während der Pulspause(iiast = 0) ist der Ladezustand(SOC) konstant^Widerstände und Kon­densatoren sind unverändert. Daraus folgt dtCkurz = 0 und jiCiange = 0. Die Gleichungen (2.3) und (2.2) können so formuliert werden:

Man betrachtet zuerst die Gleichung 2.6:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Rkurz, Ckurz sind während iiast = 0 konstant. Bei der Gleichung (2.7) handelt es sich um eine ge­wöhnliche Diffentialgleichung(DGL) erster Ordnung(mit konstanten Koeffizienten). Die Anfangs­bedingung für (2.7) ist nach (2.4):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gesucht wird der Kurvenverlauf von ukurz(t) im Leerlauf. Das heißt, die Gleichung (2.7) wird mit der Anfangsbedingung (2.8) gelöst. Der Lösungweg wird hier nicht weiter diskutiert. Für weiter führende Informationen wird auf die Literatur [16], [17] verwiesen. Es ergibt sich:

Wobei: Tkurz=RkurzCkurz und Tlange=RlangeClange .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Unmittelbar nach dem Lastabwurf(z‘/ßsf = 0) wird die Klemmenspannung im Leerlauf durch ein­setzen von (2.9), (2.10) in (2.1) beschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

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^[1] JZitat aus [15]

^[2] Für weiter führende Informationen siehe [15],[14]