Leistungsstarke Kurzzeit-Energiespeichersysteme

Leistungsstarke Kurzzeit-Energiespeicher (DFG BE1496/14-2)

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Konzeptentwicklung und Untersuchung verschiedener Speichersysteme für elektrische Energie für dynamische Anforderungen mit, auf die Speichergröße bezogener hoher Leistungen bzw. hohem Strom (> 100 A).
Das in dem vorausgegangenen Projekt (BE1496/14-1) konzipierte und aufgebaute Energiespeichersystem soll weitergehend untersucht werden, insbesondere sind die Modellvorstellungen bzgl. inhomogener Stromdichteverteilungen, u.a. auf Grund elektromagnetischer Felder, zu erweitern und die Auswirkungen auf die Regelparameter darzustellen. Die Relevanz der Betrachtungen wird durch Simulation, Messung auf Zellebene und im Verbund in der Umgebung des Zwischenkreiskonditionierers geprüft und quantifiziert.

Das Projekt gliedert sich in folgende Arbeitspakete:

  1. Modellentwicklung unter Berücksichtigung elektrophysikalischer Effekte:Angestrebtes Ziel dieses Arbeitschritts ist die theoretische Beschreibung der Auswirkungen des Stromverdrängungseffektes bei elektrochemischen Systemen zur Verallgemeinerung des Modellansatzes. Für einfache Geometrien sind die Auswirkungen des Skineffekts z. B. als zeitabhängiger Widerstand in die Modellgleichungen integrierbar. Weiterhin wird untersucht, wie die Auslegung von Zwischenkreiskapazitäten und Speicherdrosseln die Systemdynamik und damit die Auswirkungen der elektrophysikalischen Effekte auf die Speicher beeinflusst.

  2. Auswirkungen von schnellen Stromänderungen auf die Lebensdauer und das thermische Verhalten verschiedener SpeichertechnologienAuf Basis der entwickelten Modelle sollen für verschiedene Technologien und Belastungsszenarien Abschätzungen über das thermischen Verhalten und qualitative Aussagen bzgl. Alterungseffekten durchgeführt werden.

  3. Experimentelle Untersuchung elektrischer Energiespeicher bei schnellen Stromänderungen mit hoher Amplitude über einen längeren ZeitraumZur Quantifizierung und Verifikation der in Arbeitspaket 2 dargestellten Ergebnisse werden für Batterie, Doppelschichtkondensator und Elektrolytkondensator Messreihen mit einer so genannten „Null-Ampere-Stunden-Regelung“ durchgeführt. Hierfür werden mit dem HoBIS (Hochdynamischer Batterie Impulsstromrichter) hohe Stromamplituden mit sehr geringen Stromanstiegszeiten periodisch in die Speicher ein- und wieder ausgeladen. Die Frequenz beträgt hierbei bis zu 15 kHz. Damit keine ladezustandsabhängigen Effekte die zu beobachtenden Überlagern werden die Versuche mit ausgeglichener Ladungsbilanz durchgeführt. Dieses wird über eine spezielle Regelung mit genauer Strommessung sichergestellt. Für verschiedene Frequenzen (0 Hz bis 15 kHz) und unterschiedliche Amplituden (bis 200 A) werden Temperaturmessungen und wiederkehrende Kapazitätstests durchgeführt.Mit Abschluss von Arbeitspaket 3 liegen belastbare Daten zur Hand, die der indirekten qualitativen und auch quantitativen Bestimmung der inhomogenen Stromverteilung für verschiedene Speichertechnologien dienen.

  4. Überführung auf den Prüfstand, Durchführung von Messungen und Anpassung / Variation der RegelparameterMit Abschluss des Vorhabens ist die qualitative Erfassung der Effekte insbesondere bzgl. der Wärmeentwicklung und damit einhergehend der Alterung möglich. Aufgrund der erweiterten Modellvorstellung lassen sich präventive Maßnahmen zum Schutz vor Lebensdauerverlust treffen.

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