DFG: Alterungsmodelle von Lithium-Ionen Batterien am Beispiel von Elektrofahrzeugen

Im Rahmen des geplanten Vorhabens sollen die Lebensdauerauswirkungen auf Batterien am Beispiel von Hybridfahrzeugen untersucht werden, wenn diese zusätzlich durch Netzdienstleistungen mit sehr großen dynamischen Leistungsanforderungen bei gleichzeitig geringem Ladungsmengenumsatz belastet werden.

Der Schwerpunkt der Arbeiten wird die Entwicklung von Alterungsmodellen für Lithium-Ionen-Batterien sein, welche zukünftig in elektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt werden, und die Überprüfung der für Lebensdauerprognosen üblicherweise gemachten Annahmen:

Additivität der Schädigungen, Unabhängigkeit der Reihenfolge und Gültigkeit des Arheniusschen Gesetzes auch bei Kombinationen von Belastungen. Da Alterungstests mit realen, für jede Anwendung unterschiedlichen Lastkollektiven teuer und zeitintensiv sind, werden grundlegende Tests für unterschiedliche Belastungen bzw. die sich daraus ergebenden Alterungsprozesse durchgeführt und aus den Ergebnissen Modelle entwickelt, welche die Alterung der Batterien zuverlässig vorhersagen können. Die in der Literatur veröffentlichten Alterungsuntersuchungen werden als Basis für die Modellentwicklung verwendet. Es sollen drei Modelltypen fokussiert betrachtet werden:

• Ein gewichtetes Amperestundensdurchsatzmodell, welches recht einfach zu erhalten ist und die Lebensdauer nur über den Amperestundendurchsatz und Gewichtungsfaktoren vorhersagt,
• ein physikalisch-chemisches Modell, welches auf Ersatzschaltbildern (ESB) beruht und über die Änderung der ESB-Komponenten die Lebensdauer der Batterien prognostiziert, und
• ein ereignisbasiertes Modell.

Diese Modelle sollen zuverlässige Lebensdauerprognosen liefern, auf deren Basis eine optimale Betriebsstrategie für Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeuge zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen („Vehicle-to-grid (V2G)“-Funktionalität) entwickelt werden kann. Das Lastkollektiv wird vereinfacht auf drei Belastungsklassen reduziert:

Stillstand (kalendarische Alterung), Fahrbetrieb mit Entladen, gelegentlicher Rückspeisung und Laden, sowie dem Betrieb bei Netzstützung (hohe Leistungsfluktuation mit sehr geringem 

Ladungsmengendurchsatz). Der methodische Ansatz zur Entwicklung mehrerer Lebensdauerprognosemodelle, die auf ihre Konsistenz überprüft werden müssen, soll auf diese Anwendung angewandt werden und zeigen, unter welchen Bedingungen und Restriktionen eine Nutzung von Batterien für netzstabilisierende Funktionen ohne Lebensdauerauswirkungen möglich ist.

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