Batteriesimulation mittels dynamischer Datenmodelle für die Entwicklung elektrischer Antriebe

Der rasante Wandel hin zur Elektromobilität verlangt nach immer kürzeren und effizienteren Entwicklungszyklen. Vielfach steht dabei der elektrische Energiespeicher mit seinen für das Antriebsverhalten relevanten Eigenschaften, wie dem Energieinhalt oder der Leistungsverfügbarkeit, im Fokus. Für die Automobilhersteller sind daher Batteriesimulationen - basierend auf Modellen des elektrischen Batterieverhaltens - ein wesentliches Werkzeug, um schnell und kostengünstig neue Antriebe zu entwickeln. Das dynamische Übertragungsverhalten von Lithium-Ionen Zellen wird im industriellen Kontext typischerweise über phänomenologische Modelle nachgebildet, die vorrangig auf Zellmessungen basieren. Die inhärenten Fehler der Zellmodelle werden bei einer Simulation des gesamten Batteriesystems noch durch unmodellierte Effekte wie die Kontaktierung der Zellen oder inhomogene Temperaturverteilungen ergänzt. Überraschenderweise werden gleichwohl die heute umfangreich erzeugten Batteriedaten kaum genutzt, um die Qualität dieser Simulationen zu erhöhen. Vor allem die herausfordernde Verarbeitung großer und heterogener Datenmengen aus dem regulären Betrieb einer Antriebsbatterie verhindert nach wie vor eine konsequente Nutzung. Daher lautet das Ziel dieser Arbeit, mit neuartigen datenbasierten Ansätzen die Simulationen von Antriebsbatterien noch realitätsnäher zu gestalten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass bestehende phänomenologische Modelle mit datenbasierten Modellen kombiniert werden. Es entstehen hybride Modelle, die die Vorteile aus beiden Welten der Modellierung, wie eine hohe Genauigkeit, Stabilität und Extrapolationsfähigkeit, vereinen. Im ersten Schritt wird daher das phänomenologische Modell in Bezug auf vorhandene Fahrzeugmessungen der Batterie bewertet und im Anschluss verschiedene Hybridstrukturen miteinander verglichen. Die Parallel-Hybridstruktur kompensiert dabei den bestehenden Simulationsfehler am erfolgreichsten. Um gleichzeitig auch eine hohe Robustheit des hybriden Modells zu gewährleisten, erfolgt eine situative Begrenzung des datenbasierten Modells. Hierfür wird die Extrapolation des Modells über eine One-Class Support Vector Machine erkannt. Insbesondere in den Randbereichen der Validierungsdaten lässt sich dadurch der Fehler des hybriden Batteriemodells um weitere 15% reduzieren. Ein Fokus während der Ermittlung des hybriden Batteriemodells liegt auf der Erzeugung einer raumfüllenden Untermenge der verfügbaren Daten. Es wird aufgezeigt, dass sich hierdurch der Trainingsaufwand und die Genauigkeit des datenbasierten Modells weiter optimieren lassen. Zuletzt wird in dieser Arbeit auch ein Vergleich zwischen zwei dynamischen neuronalen Netzen als datenbasiertes Modell durchgeführt. Beide Varianten reduzieren den bestehenden Modellfehler deutlich - um bis zu 46 %. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Modellausgabe überzeugt jedoch vor allem das Gated-Recurrent-Unit. Die Qualität der Batteriesimulation wird anhand von zwei Anwendungsszenarien am Antriebsprüfstandbewertet. Dabei geht es zum einen um die Dauerlauferprobung und zum anderen um die Reichweitenbestimmung von elektrischen Antrieben. Der direkte Vergleich mit einer realen Antriebsbatterie erbringt den Nachweis, dass in beiden Anwendungsszenarien die Batteriespannung und selbst das Verhalten der elektrischen Antriebsachse wesentlich realistischer nachgestellt werden als mit dem bestehenden phänomenologischen Batteriemodell

Erweiterung des thermischen Modells zur Bestimmung der optimalen Zellgröße auf Modulebene und Anwendung auf das Fahrzeugkonzept des aCar mobility Projekts

Das Batteriesystem ist technisch und wirtschaftlich eines der wichtigsten Komponenten eines Elektrofahrzeugs. Sie sind ausschlaggebend für die Leistung, Reichweite und Sicherheit eines Fahrzeugs. Momentan existiert eine Vielzahl an Ausführungen von Batteriesystemen mit unterschiedlichen Zellbauformen und Zellgrößen. Diese Lösungen resultieren mehr aus Kompromissen zwischen Kosten und Fertigbarkeit, als aus wissenschaftlichen Betrachtungen. Um eine aus wissenschaftlicher Sicht optimale Zellgröße zu ermitteln wurde in vorherigen Arbeiten Modelle zum thermischen Verhalten, elektrischer Effizienz und Kosten in Abhängigkeit der Zellgröße erstellt. Im Rahmen dieser Arbeit soll einerseits das Modell zur Bestimmung der thermisch optimalen Zellgröße auf Modulebene erweitert werden. Andererseits sollen die Modelle auf ein Fahrzeugkonzept angewendet werden, um die Frage nach der optimalen Zellgröße für dieses Fahrzeugkonzept zu beantworten. Es handelt sich dabei um ein vollelektrisches Fahrzeug für Sub-Sahara-Afrika. Mithilfe der Anwendung der bestehenden Modelle sollen zudem Probleme identifiziert und behoben werden. Die folgenden Aufgabenpakete sollen bearbeitet werden: • Einarbeitung in den Stand der Modelle zur Bestimmung der optimalen Zellgröße • Erweiterung des thermischen Modells auf Modulebene • Einarbeitung in die Erprobungsdaten vom aCar • Bestimmung der optimalen Zellgröße für das aCarOutgoin

Paving the way to electrified road transport - Publicly funded research, development and demonstration projects on electric and plug-in vehicles in Europe

The electrification of road transport or electro-mobility is seen by many as a potential game-changing technology that could have a significant influence on the future cost and environmental performance of personal individual mobility as well as short distance goods transport. While there is currently a great momentum vis-à-vis electro-mobility, it is yet unclear, if its deployment is economically viable in the medium to long term. Electromobility, in its early phase of deployment, still faces significant hurdles that need to be overcome in order to reach a greater market presence. Further progress is needed to overcome some of these hurdles. The importance of regulatory and financial support to emerging environmentally friendly transport technologies has been stressed in multiple occasions. The aim of our study was to collect the information on all on-going or recently concluded research, development and demonstration projects on electric and plug-in hybrid electric vehicles, which received EU or national public funding with a budget >1mln Euro, in order to assess which of the electric drive vehicles (EDV) challenges are addressed by these projects and to identify potential gaps in the research, development, and demonstration (R, D & D) landscape in Europe. The data on R, D & D projects on electric and plug-in vehicles, which receive public funding, has been collected by means of (i) on-line research, (ii) validation of an inventory of projects at member state level through national contacts and (iii) validation of specific project information through distribution of project information templates among project coordinators. The type of information which was gathered for the database included: EDV component(s) targeted for R&D, location and scope of demo projects, short project descriptions, project budget and amount of public co-funding received, funding organisation, project coordinator,number and type of partners (i.e. utilities, OEMs, services, research institutions, local authorities), start and duration of the project. The validation process permitted the identification of additional projects which were not accounted for in the original online search. Statistical elaboration of the collected data was conducted. More than 320 R, D & D projects funded by the EU and Member states are listed and analyzed. Their total budgets add up to approximately 1.9 billion Euros. Collected data allowed also the development of an interactive emobility visualization tool, called EV-Radar, which portrays in an interactive way R&D and demonstration efforts for EDVs in Europe. It can be accessed under http://iet.jrc.ec.europa.eu/ev-radar.JRC.F.6-Energy systems evaluatio

Ein synthetischer Ansatz zur Auslegung von Kfz-Bordnetzen unter Berücksichtigung dynamischer Belastungsvorgänge

The electrical system in motor vehicles is responsible for the reliable operation of all electrical and electronic modules. Therefore the development and dimensioning of the electrical system must be done with utmost care. So far, there has been paid very little attention on heavy electrical loads with a dynamic behavior caused by the increasing electrification of mechanical and hydraulic components. These consumers may cause interferences to the functions of electrical and electronic modules. In this work, a new approach to the design of electrical systems in motor vehicles is shown, taking account of dynamic processes that enable the electrical system already in an early phase of development to adapt on these new requirements. Moreover, the properties of the electrical system itself and the characteristics of the measures for stabilization of the electrical system are treated. On the basis of the evaluation of these properties a method is shown which makes possible the design of electrical systems under consideration of the heavy electrical loads with a dynamic behaviour.Bordnetze in Kraftfahrzeugen sind für die zuverlässige Funktion aller elektrischen und elektronischen Systeme verantwortlich. Die Entwicklung und Auslegung von Bord-netzen muss daher mit größter Sorgfalt erfolgen. Dynamischen elektrischen Großver-brauchern, die durch die zunehmende Elektrifizierung mechanischer und hydraulischer Komponenten entstehen, wurde dabei bislang nur wenig Beachtung geschenkt. Diese Verbraucher können in Bordnetzen Störungen verursachen, die die Funktionen von elektrischen und elektronischen Systemen beeinträchtigen können. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Auslegung von Bordnetzen unter Berück-sichtigung dynamischer Belastungsvorgänge gezeigt, der es ermöglicht, Bordnetze bereits in einer frühen Phase der Entwicklung auf diese neuen Anforderungen hin anzupassen. Es wird dabei auf die Eigenschaften von Bordnetzen an sich und auf die Eigenschaft der Maßnahmen zur Stabilisierung von Bordnetzen eingegangen. Aus der Bewertung dieser Eigenschaften heraus wird eine Methode aufgezeigt, die die Auslegung von Bordnetzen unter Berücksichtigung dynamischer Großverbraucher ermöglicht

From the production of the single cell to the end of life of the battery module: the development of parameter variation of lithium-ion cells

(English) In lithium-ion batteries, depending on the requirements, many individual cells are connected in series and parallel. Despite very similar individual cell parameters after production, they can develop differently during the subsequent ageing process due to intrinsic and extrinsic influences. A pronounced parameter variation of the assembled cells ultimately leads to a reduced utilisation of the lithium-ion battery and thus also to a reduced lifetime. The aim of this work is therefore to gain a better understanding of the origin and development of parameter variation during the ageing process. The work is divided into three major parts. At the beginning, parameters such as capacity and internal resistance of 480 brand-new cells of one production batch are recorded. The obtained values allow the calculation of the production-related parameter variation of the cells. In order to investigate the development of the parameter variation during cell ageing, numerous ageing tests are carried out in this work. These are divided into single cell tests and module tests. With the help of single cell ageing tests, the development of the parameter variation of unconnected cells is investigated. Here, several cells are combined into groups and aged under identical conditions. In order to show the influence of different operating conditions on the parameter variation during single cell ageing, the cell groups are aged at different temperatures and different load currents. Finally, by ageing various self-built modules, the development of the parameter variation of cells connected in series and in parallel is investigated. By varying the load current and the number of cells connected in parallel, further dependencies are investigated. The measured data show that both the load on the cells and the ambient temperature have a decisive influence on the development of parameter variation. Operating conditions near the lithium plating boundary are particularly problematic. Since the onset of lithium plating varies slightly between the ageing cells, there are extreme differences in the ageing rate over a certain period of time. This ultimately leads to large parameter variations in the tests carried out. The cells used in this work are cylindrical cells in 18650 format with a nominal capacity of 2.6 Ah (Samsung ICR18650-26J). The high-energy cells consist of a NMC cathode and a graphite anode.(Català) Les bateries de ions de liti estan formades per l’associació sèrie i paral·lel de diferents cel·les en funció dels requeriments. Malgrat que els processos productius asseguren molt poques variacions en la fabricació, aquestes poden evolucionar en el temps de manera diferent degut a les influències internes o externes. Si aquesta variació dels paràmetres de cada cel·la és molt gran es reduirà la capacitat i la vida útil de la bateria. L’objectiu d’aquest treball és aprofundir en el coneixement de l’origen dels fenòmens que provoquen la variació dels paràmetres característics de la bateria durant el seu ús i el pas del temps. El treball està dividit en tres grans parts. Inicialment, s’han mesurat paràmetres com la capacitat o la resistència interna de 480 cel·les noves del mateix lot. Els valors obtinguts han permès calcular la variació de paràmetres deguda al procés productiu. Per tal d’investigar la variació dels paràmetres també durant l’ús i envelliment de les cel·les s’han realitzat tests tant de cel·les individuals com de mòduls de bateries. Amb l’ajut de l’envelliment de cel·les individuals s’investiga l’envelliment de cel·les no connectades entre elles. A partir d’aquest punt, diferents cel·les s’han convinat en grup i s’han envellit en les mateixes condicions. Per tal de poder observar la influència de les diferents condicions d’operació en la variació dels paràmetres durant l’envelliment, altres grups s’han envellit en diferents condicions de temperatura i càrrega. Finalment, mitjançant l’envelliment de diferents grups de cel·les connectades en sèrie i en paral·lel formant una bateria s’han envellit i monitoritzat els seus paràmetres. Les dades obtingudes mostren que tant el nivell de càrrega de les cel·les com la temperatura ambient tenen una influència decisiva en la variació dels paràmetres. Condicions d’operació properes a la metal·lització del liti (lithium plating) són particularment problemàtiques. Atès que l'inici de la metal·lització del liti varia lleugerament entre les cèl·lules envellides, existeixen diferencies extremes entre cel·les. Això provoca grans variacions dels paràmetres de les cel·les envellides. Les cel·les usades en aquest treball són cilíndriques del tipus 18650 amb una capacitat nominal de 2.6 Ah. Les cel·les, d’alta energia, consisteixen un càtode NMC i un ànode de grafitPostprint (published version