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Modellierung, Echtzeitsimulation und genaue Prognose der Lebensdauer und Kosten einer LFP-Batterie am Beispiel eines A- und C-Segment E-Autos

Waheed, Abdul

Seit einigen Jahren rückt das E-Auto immer weiter in den Fokus der Öffentlichkeit. Durch diese Technologie sollen Alternativen zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entstehen und zugleich soll eine Unabhängigkeit von politisch instabilen Erdöl liefernden Ländern geschaffen werden. Ein weiterer wichtiger Grund für diesen Trend ist jedoch auch die Einsparung des CO2-Ausstoßes, um so dem damit verbundenen Klimawandel entgegenzuwirken. Bei Einsatz von regenerativen Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie wird der CO2-Austoß von E-Autos sogar auf null reduziert. Aus Verbrauchersicht hat das E-Auto allerdings zurzeit zwei wesentliche Nachteile: Erstens sind die Anschaffungskosten für eine Lithium-Ionen-Batterie sehr hoch. Nach Ende ihrer Lebensdauer muss die Lithium-Ionen-Batterie zudem wieder ausgetauscht werden, wodurch weitere zusätzliche Kosten entstehen. Zweitens beträgt die Reichweite eines durchschnittlichen E-Autos 150 km und halbiert sich im Winter. In dieser Arbeit wird daher ein semi-empirisches thermoelektrisches Modell einer 50 Ah Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle (LFP-Batteriezelle) in SimulationX erstellt. Das Rint-Modell beschreibt das elektrische Verhalten der LFP-Batteriezelle. Die elektrischen Parameter wie die offene Klemmspannung U_oc, der Ladewiderstand R_ch und der Entladewiderstand R_disch werden bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (0 °C, 25 °C, 40 °C) und Entladetiefen (0/ 0,2/ 0,4/ 0,6/ 0,8/ 1) mittels XCTS-Batterietestsystem bestimmt. Das thermische Modell berücksichtigt dabei die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe über Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung sowie den Einfluss einer internen Wärmequelle. Die erforderlichen thermischen Parameter wie Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmekapazität c_p und Emissionskoeffizient ε werden durch die in der Fachliteratur bekannten theoretischen Methoden erfasst. Außerdem berücksichtigt das Modell die kalendarische und zyklische Alterung der LFP-Batteriezelle und ist modular aufgebaut. Die Ermittlung der kalendarischen und zyklischen Alterung der LFP-Batteriezellen erfolgt an einem Batterieprüfstand bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (0 °C, 25 °C, 40 °C), Entladeströmen (25 A, 50 A, 100 A), Entladetiefen (0,2/ 0,5/ 0,8) sowie Ladezustandsbereichen (1-0,8/ 1-0,5/ 1-0,2). Durch die modulare Gestaltung kann überdies eine LFP-Batterie mit beliebiger Anzahl von LFP-Batteriezellen generiert werden. Anschließend wird das Batteriemodell von SimulationX über eine S-function nach Matlab/Simulink exportiert und auf Echtzeitfähigkeit geprüft. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht somit in der gesamtheitlichen Betrachtung und Auslegung einer LFP-Batterie für ein Minicar E-Auto (A-Segment) und ein unteres Mittelklasse E-Auto (C-Segment) hinsichtlich Lebensdauer, Batteriepackaging (i.e. der Zellenanzahl), Wärmeentwicklung, Fahrzeugreichweite sowie Batteriekosten.

Since the past few years, the electric car has moved more and more into the focus of public interest. Through this technology, new alternatives to conventional vehicles with combustion engines should be developed and thereby independence from politically unstable oil supplying countries should be achieved. Another important reason for this trend, however, is also the reduction of the CO2 emission in order to mitigate the associated climate change. When renewable energy sources like wind or solar power are used, the CO2 emission of electric cars is even reduced to zero. Yet, from the customer’s perspective, at present, the electric car has two fundamental disadvantages: Firstly, the acquisition costs for a Lithium-Ion battery are very high and after its lifecycle has expired, the Lithium-Ion battery has to be replaced, causing further additional costs. Secondly, the reach of an average electric car amounts to 150 km, a distance which is reduced by half in winter. Therefore, in this thesis, a semi-empirical thermo-electrical model of a 50 Ah Li-ion Iron Phosphate Cell (LFP battery cell) is designed with SimulationX. The resulting Rint model describes the electric behaviour of the LFP battery cell. The electrical parameters like the open circuit voltage U_oc, the charging resistor R_ch and the discharge resistor R_disch are determined at different ambient temperatures (0 °C, 25 °C, 40 °C) and at different depths of discharge (0/ 0.2/ 0.4/ 0.6/ 0.8/ 1) using the XCTS Battery Test System. The thermal model, on the other hand, takes into consideration heat absorption respectively heat emission through heat conduction, thermal convection, thermal radiation or the respective influence of an internal heat source. The needed thermal parameters like the heat conductivity λ, the thermal capacity c_p and the coefficient of emission ε are measured by means of the theoretical methods that are commonly known in the scientific literature. Furthermore, the here elaborated model takes into account the calendrical and cyclical aging of the LFP battery cell and is based on a modular design. By means of a battery test station, the calendrical and cyclical aging of the LFP battery cells is measured at different ambient temperatures (0 °C, 25 °C, 40 °C), for different discharging currents (25 A, 50 A, 100 A), at different depths of discharge (0.2/ 0.5/ 0.8) and with respect to different charging state ranges (1-0.8/ 1-0.5/ 1-0.2). Besides, and due to the modular structure, the LFP battery can be designed for any number of LFP battery cells. In a next step, using an S-function, the battery model is exported from SimulationX to Matlab/Simulink and tested for its real-time capability. Hence, the scientific contribution of the present thesis consist in its holistic assessment and dimensioning of an LFP battery for an electric mini car (in the A Class segment) and for an electric lower mid-range car (in the C Class segment) with respect to battery life cycle, battery packaging (i.e. the number of battery cells), heat development, vehicle range and battery costs.

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Waheed, Abdul: Modellierung, Echtzeitsimulation und genaue Prognose der Lebensdauer und Kosten einer LFP-Batterie am Beispiel eines A- und C-Segment E-Autos. 2016.

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