ISBN 978-3-8439-1166-5

978-3-8439-1166-5, Reihe Fahrzeugtechnik

Matthias Fleckenstein
Modellbasiertes Thermomanagement für Li-Ionen-Zellen in elektrischen Fahrzeuganwendungen

257 Seiten, Dissertation Technische Universität Dresden (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im Betrieb einer Li-Ionen-Traktionsbatterie in alternativen Fahrzeugantrieben stellt die Temperatur der Batteriezellen einen entscheidenden Einflussfaktor auf die Effizienz, die Leistungsfähigkeit sowie die Lebensdauer des gesamten Antriebs dar. Um diese thermische Abhängigkeit zu Gunsten von Verbrauch und Reichweite besser nutzen zu können, beschäftigt sich diese Arbeit mit der differenzierten Untersuchung von Temperaturverteilungen in Li-Ionen-Zellen und deren Auswirkungen auf das elektrische Systemverhalten des Speichers über Lebensdauer.

Dazu wird die Entwicklung eines makroskopisch aufgelösten thermisch-elektrischen 3D-Alterungsmodells für Batterie-Zellen beschrieben. Basierend auf den Erkenntnissen der Simulation werden Betriebsstrategien zum aktiven Thermomanagement für Li-Ionen-Speicher erarbeitet, die eine optimierte Nutzung der zur Verfügung stehenden elektrochemischen Energie zulässt.

Aufbauend auf den aus der Literatur bekannten thermischen, elektrischen und Alterungsmodellen für Batterien, werden die jeweils passenden Modellierungsansätze für ein lokal aufgelöstes thermisch-elektrisches Zellmodell über Lebensdauer ausgewählt. Das elektrische Zellverhalten wird durch ein mit der Finiten Netzwerk Methode diskretisierten Impedanzmodell beschrieben, das durch Prüfstands-Messungen parametriert und validiert wird. Das thermische Modell der Batteriezelle ist mittels der Finiten-Volumen-Methode in Matlab/Simulink implementiert. Als geeignete Parametrierungsmethode für das thermische Modell wird das Verfahren der thermischen Impedanzspektroskopie erarbeitet. Das validierte thermisch-elektrische Batteriemodell wird im Anschluss um ein lokal aufgelöstes Alterungsmodell des gewichteten Ladungsdurchsatzes ergänzt. Anhand des Gesamtmodells werden Stromdichte- und Ladezustands-Inhomogenitäten infolge von Temperaturgefällen in einer Li-Ionen-Zelle und deren Auswirkungen über Lebensdauer untersucht.

Die gewonnenen Erkenntnisse der Li-Ionen-Zell-Modellierung erlauben eine Optimierung des aktiven Thermomanagements der Batterie. Hierbei wird ein für das Batterie-Steuergerät stark reduziertes thermisches Modell mit Luenberger-Beobachter entwickelt, das eine genaue Zellkerntemperatur nach minimaler Einschwingzeit wiedergibt. Die Verwendung des Wertes als Regelgröße der Kühler-Betriebsstrategie weißt simulativ dargestellte Effizienzvorteile auf. Infolgedessen werden weitere Effizienzpotentiale neuer intelligenter Betriebsstrategien ausgewiesen.