A comparative study of reduced-order equivalent circuit models for state-of-available-power prediction of lithium-ion batteries in electric vehicles

Farmann, Alexander; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Kanoun, Olfa (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 124
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (x, 214 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) gehören definitiv zu den vielversprechendsten kommerziell verfügbaren Energiespeichersysteme für den Einsatz in Elektrofahrzeugen (EV). Zu den Vorteilen der LIB gehören unter anderem hohe gravimetrische und volumetrische Energie- und Leistungsdichten, geringe Selbstentladung und hohe Zyklenlebensdauer. Die Batterie-Management-Systeme (BMS) sind wesentliche Elemente für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Lithium-Ionen-Batteriesystemen in EV. Das BMS besteht aus Hardware und Software, wobei die Letztere unter anderem Monitoring-Algorithmen zur Berechnung der aktuellen Batteriezustände beinhaltet. Der aktuelle Ladezustand (State-of-Charge, SoC), der aktuelle Alterungszustand (State-of-Health, SoH) sowie die maximal aufnehmbare beziehungsweise abgebbare Leistung(State-of-Available-Power, SoAP) der Batterie sind die drei wichtigsten Batteriezustände, welche on-board bestimmt werden müssen. Der Hauptfokus der vorliegenden Arbeit liegt im Bereich der SoAP Prädiktion von LIB in EV. Die Prädiktion der maximalen Leistung der Batterie während des Lade- und Entladevorgangs ist eine der schwierigsten Aufgaben des BMS. Eine präzise SoAP-Prädiktion erlaubt dem Energiemanager des Fahrzeugs den Leistungsfluss frühzeitig so einzuschränken, dass jederzeit ein Betrieb des Fahrzeugs innerhalb der sogenannten Safe Operating Area (SOA) gewährleistet ist. Die SOA ist abhängig von Temperatur, Spannung, Strom und SoC der Batterie. In der vorliegenden Arbeit wurden LIB mit unterschiedlichen Alterungszuständen und verschiedenen Aktivmaterialien untersucht, wobei der primäre Fokus auf der Untersuchung des elektrischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien mit LTO Anode liegt. Zudem wurden weitere LIB-Technologien, wie NMC/C und LFP/C, untersucht. Elektrische Charakterisierung der untersuchten Zellen wurde mit Hilfe der Methode der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und Strom-Pulstests über weiten Temperaturbereich (-20 °C⋯+40 °C) durchgeführt. Das Verhalten der Batterie-Impedanzparameter und ihrer Leerlaufspannung (OCV) wurde über Batterielebensdauer in Abhängigkeit von Temperatur und SoC ausführlich untersucht. Außerdem wurde eine ausführliche Vergleichsstudie von einem breiten Spektrum an verschiedenen impedanzbasierten Batteriemodellen zur Leistungsvorhersage erstellt. Hierzu wurden insgesamt sieben verschiedene Ersatzschaltbilder, die aus unterschiedlicher Anzahl an elektrischen Komponenten bestehen, untersucht. Die erstellten Modelle wurden unter verschiedenen Bedingungen (weiter Temperatur- und SoC-Bereich) mit Hilfe von realen Fahrprofilen, die in einem EV-Prototyp aufgenommen wurden und standardisierte Strompuls-Tests, verifiziert. Des Weiteren wurden die Abhängigkeit der Genauigkeit der vorhergesagten Spannung und SoAP für verschiedene Prädiktionszeithorizonte von SoC, Temperatur und des applizierten Stroms untersucht.

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