Details

Autor(en) / Beteiligte

• Waheed, Abdul

Titel

Modellierung, Echtzeitsimulation und genaue Prognose der Lebensdauer und Kosten einer LFP-Batterie am Beispiel eines A- und C-Segment E-Autos

Ort / Verlag

ProQuest Dissertations & Theses

Erscheinungsjahr

2016

Quelle

ProQuest Dissertations & Theses A&I

Beschreibungen/Notizen

• Seit einigen Jahren rückt das E-Auto immer weiter in den Fokus der Öffentlichkeit. Durch diese Technologie sollen Alternativen zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entstehen und zugleich soll eine Unabhängigkeit von politisch instabilen Erdöl liefernden Ländern geschaffen werden. Ein weiterer wichtiger Grund für diesen Trend ist jedoch auch die Einsparung des CO2-Ausstoßes, um so dem damit verbundenen Klimawandel entgegenzuwirken. Bei Einsatz von regenerativen Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie wird der CO2-Austoß von E-Autos sogar auf null reduziert. Aus Verbrauchersicht hat das E-Auto allerdings zurzeit zwei wesentliche Nachteile: Erstens sind die Anschaffungskosten für eine Lithium-Ionen-Batterie sehr hoch. Nach Ende ihrer Lebensdauer muss die Lithium-Ionen-Batterie zudem wieder ausgetauscht werden, wodurch weitere zusätzliche Kosten entstehen. Zweitens beträgt die Reichweite eines durchschnittlichen E-Autos 150 km und halbiert sich im Winter. In dieser Arbeit wird daher ein semi-empirisches thermoelektrisches Modell einer 50 Ah Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle (LFP-Batteriezelle) in SimulationX erstellt. Das Rint-Modell beschreibt das elektrische Verhalten der LFP-Batteriezelle. Die elektrischen Parameter wie die offene Klemmspannung Uoc, der Ladewiderstand Rch und der Entladewiderstand Rdisch werden bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (0 °C, 25 °C, 40 °C) und Entladetiefen (0/ 0,2/ 0,4/ 0,6/ 0,8/ 1) mittels XCTS-Batterietestsystem bestimmt. Das thermische Modell berücksichtigt dabei die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe über Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung sowie den Einfluss einer internen Wärmequelle. Die erforderlichen thermischen Parameter wie Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmekapazität cp und Emissionskoeffizient ε werden durch die in der Fachliteratur bekannten theoretischen Methoden erfasst. Außerdem berücksichtigt das Modell die kalendarische und zyklische Alterung der LFP-Batteriezelle und ist modular aufgebaut. Die Ermittlung der kalendarischen und zyklischen Alterung der LFP-Batteriezellen erfolgt an einem Batterieprüfstand bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (0 °C, 25 °C, 40 °C), Entladeströmen (25 A, 50 A, 100 A), Entladetiefen (0,2/ 0,5/ 0,8) sowie Ladezustandsbereichen (1-0,8/ 1-0,5/ 1-0,2). Durch die modulare Gestaltung kann überdies eine LFP-Batterie mit beliebiger Anzahl von LFP-Batteriezellen generiert werden. Anschließend wird das Batteriemodell von SimulationX über eine S-function nach Matlab/Simulink exportiert und auf Echtzeitfähigkeit geprüft. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht somit in der gesamtheitlichen Betrachtung und Auslegung einer LFP-Batterie für ein Minicar E-Auto (A-Segment) und ein unteres Mittelklasse E-Auto (C-Segment) hinsichtlich Lebensdauer, Batteriepackaging (i.e. der Zellenanzahl), Wärmeentwicklung, Fahrzeugreichweite sowie Batteriekosten.