Simulation and real-life assessment of cell-to-cell variation of ageing lithium-ion batteries

Dechent, Philipp André; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Howey, David (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 163
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Eine der wichtigsten Komponenten eines Elektrofahrzeugs ist sein Energie-speicher. Leider hat es sich auch als die teuerste Komponente erwiesen, die die Leistung des Fahrzeugs, z. B. die Reichweite oder die Leistungsfähigkeit, bei einem bestimmten Kostenziel einschränkt. Eine Verbesserung der Zellqualität und einer Reduktion der Streuung der Zellparameter innerhalb des Systems führen zu einer Kostensenkung, indem die Anzahl der in der Produktion aussortierten Zellen verringert wird. Darüber hinaus ist es insbesondere bei großen Speichersystemen, wie z. B. in Elektrofahrzeugen oder bei stationären Speicheranwendungen, wichtig, eine lange Nutzbarkeit der Systeme zu gewährleisten. Insbesondere bei stationären Anwendungen muss die Lebensdauer im Bereich von 10 bis 15 Jahren liegen. Daher müssen die Hersteller für langlebige Batteriemodule als kleinste austauschbare Einheiten sorgen. Bisherige Analysen zu den Auswirkungen von Variationen in kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriesystemen auf die Alterung haben gezeigt, dass die Streuung der Zellparameter der Batterien eine entscheidende Rolle für die Langlebigkeit spielt. Diese Arbeit zielt darauf ab, Systemtopologien für individuelle Anwendungen zu optimieren, eine Überdimensionierung von Batteriesystemen zu vermeiden und Vorhersagen über die Lebensdauer und quantifizierbare Ausfallraten von Batterien bei gleichzeitiger Kostenreduzierung zu geben. Es wurde eine Simulations-Toolchain entwickelt, um Variabilitäts- und Alterungsraten-Streuungen in den Systementwurfsprozess einzubeziehen. Im Rahmen des Simulationswerkzeugs können Batterietopologien mit unterschiedlichen Nutzungsprofilen, Zellparameterspreizungen und verschiedenen Alterungsraten simuliert werden. Insgesamt vertieft die vorliegende Arbeit das Verständnis und die Quantifizierung von Zell-zu-Zell-Variationen und erzielt so Fortschritte in mehreren Aspekten. Entscheidend ist das zielgerichtete Testen von Batterien unter Einbeziehung von Variationen, um die statistische Sicherheit zu erhöhen, was zu einer Verringerung der Kosten und des Aufwands für das Testen durch eine vorgegebene Stichprobengröße führt. Darüber hinaus ermöglichen Prognosemodelle mit zusätzlichem Konfidenzintervall repräsentative Vorhersagen von Lebensdauer und Ausfallszenarien in der Anwendung.

Einrichtungen

  • Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614500]
  • Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik [618310]

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