Passiv gekoppelte Lithium-Ionen-Superkondensatorsysteme für 48V Hybridfahrzeuge

Hybridelektrische Fahrzeuge mit einer Bordspannung von 48 V sind eine kostengünstige und effektive Möglichkeit zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Automobilen. Der elektrische Antriebsstrang muss dabei in der Lage sein, den mannigfaltigen Aufgaben, wie Rekuperation, Boosten und elektrisches Fahren, eines 48 V Hybriden begegnen zu können. Aus diesem Aufgabenspektrum können sich die notwendigen Charakteristika an den Energiespeicher des elektrischen Antriebsstranges für heutige und zukünftige Generationen von 48 V Hybriden ableiten lassen. Heutige Generationen von 48 V Hybriden zeichnen sich durch kurzzeitig hohe Lastspitzen von bis zu 11 kW in Lade- und Entladerichtung aus. Zukünftige Generationen von 48 V Hybriden sollen in der Lage sein, elektrisches Fahren innerhalb von Städten zu ermöglichen, wofür Leistungen von mindestens 25 kW sowie eine ausreichende Energie benötigt werden. Energiespeicher wie Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien werden bereits in vielen mobilen Anwendungen eingesetzt und weisen entweder eine hohe Energie- oder hohe Leistungsdichte auf. Weder Superkondensatoren noch Lithium-Ionen-Batterien sind in der Lage, über alle 48 V Hybrid-Generationen hinweg die notwendige Energie- und Leistungsdichte sowie Zyklenlebensdauer ohne Überdimensionierung zu erfüllen. Eine Möglichkeit diesem Problem zu begegnen, ist die Hybridisierung einer Hochenergie- und einer Hochleistungstechnologie zu einem System. Ein spezieller Fall, welcher in dieser Arbeit maßgeblich untersucht wird, ist die Hybridisierung in Form eines passiven Hybridsystems. Hierbei werden zwei Energiespeicher direkt ohne Nutzung von Leistungselektronik gekoppelt. Vorteile, die sich daraus ergeben, sind die geringere Komplexität und eine höhere Kompaktheit durch die fehlende Leistungselektronik. Nachteil sind jedoch die ungeregelten Lastflüsse zwischen den Energiespeichern, welche zur Überlastung und zum Ausfall der einzelnen Systemkomponenten führen können und daher ein hohes Systemverständnis erfordern. Faktoren, welche die Energie- und Leistungsdichte eines passiven Hybridsystems beeinflussen, sind die Dynamik des Lastprofils und die Zusammensetzung des Hybridsystems bezogen auf die verwendeten Anteile an Hochenergie- und Hochleistungstechnologie. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Literatur werden weitere Faktoren aufgezeigt, welche die Eigenschaften des passiven Hybridsystems beeinflussen. Hierfür wurden Hybridsysteme, basierend auf verschiedenen Superkondensator- und Lithium-Ionen-Technologien, auf Zell- und 48 V Systemebene experimentell untersucht. Des Weiteren ist eine Methode zur Auslegung von passiven Hybridsystemen entwickelt und am Beispiel von zwei 48 V Hybrid Szenarien angewandt worden. Das Betriebs- und das Degradationsverhalten von passiven Hybridsystemen wurden mit einem validierten Modell bestimmt und dem von Lithium-Ionen-Batterien gegenübergestellt. Diese Arbeit leistet damit einen Beitrag zu einer ganzheitlichen Betrachtung von passiven Hybridsystemen ausgehend von den Grundlagen und Funktionsweisen bis hin zur Auslegung und anwendungsorientierten Untersuchung am Beispiel von 48 V Hybriden