Entwicklung eines Alterungsmodells für High Power Lithium-Ionen-Batterien mit dessen Berücksichtigung in einem 48V-Mild-Hybridsystem

Abstract

Der Fokus auf E-Mobilität zur Senkung von CO2-Emissionen und zur Erreichung von Flottenverbrauchsvorgaben führt mitunter zu einer verstärkten Verbreitung verschiedener Varianten von Hybridantrieben. Ein vielversprechender Ansatz sind 48 V-Mild-Hybridantriebsstränge mit relativ hohen Verbrauchseinsparungen zu geringeren Kosten als Full-Hybride. Eine E-Maschine mit einer Leistung von 8 bis 10 kW unterstützt hier den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen oder sie rekuperiert Bremsenergie des Fahrzeugs. Ein solches Hybridsystem besitzt eine 48 V -Lithium-Ionen-Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie. Um ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis zu erhalten hat die Batterie üblicherweise nur eine relativ geringe Kapazität. Dies führt zu hohen Stromraten von bis zu 30C während des Betriebs. Aus diesem Grund werden hier meistens auf Leistung getrimmte Lithium-Ionen-Zellen verwendet. Eine wichtige Rolle bei der Nutzung eines solchen Hybridsystems spielt die Alterung der Batterien, da Fahrzeuge üblicherweise eine lange Lebensdauer im Gegensatz zu Consumer-Anwendungen aufweisen. Jedoch hält sich die Anzahl an Veröffentlichen über das Alterungsverhalten und Alterungsmodellen mit dem Fokus auf Leistungszellen für Automobilanwendungen in Grenzen. Deswegen zielt diese Arbeit darauf ab, das Alterungsverhalten für Hochleistungs-Zellen zu untersuchen und zu modellieren. Die neu gewonnenen Erkenntnisse und Modelle sollen in der Betriebsstrategie eines Mild-Hybridsystems berücksichtigt werden, damit auf den Alterungsverlauf Einfluss genommen werden kann. Um Einflüsse auf die Alterung von Leistungszellen für Automobilanwendungen zu untersuchen, wird ein Alterungsprüfstand mit einer leistungsfähigen Flüssigkeitskühlung aufgebaut. Die Untersuchungen umfassen kalendarische und zyklische Alterungstests. Dabei werden die einzelnen Bedingungen variiert, um die wichtigsten Einflüsse auf die Batteriealterung zu bestimmen. So sollen verschiedene Umgebungstemperaturen, Stromraten, Ladezustände und Entladehöhen getestet werden. Die Temperatur zeigt sich als dominierender Einflussfaktor auf die Alterung von High Power Lithium-Ionen-Batterien. Sämtliche gewonnene Ergebnisse sind in einem Alterungsmodell für entsprechende Batteriezellen zusammengefasst. Dieses Modell stellt die Basis für eine Berücksichtigung im Hybridsystem dar. Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten die Alterung in einem Hybridsystem zu berücksichtigen. Zum einen kann die Alterung während des Betriebs berücksichtigt werden, indem der Alterungsverlauf gezielt gesteuert wird oder die Alterung kann bereits bei der Auslegung und Dimensionierung des Antriebsstranges unter Annahme eines Nutzungsprofils und von Randbedingungen einbezogen werden. Beide Methoden wurden im Zuge dieser Arbeit auf Basis der Erkenntnisse aus den Alterungsuntersuchungen genauer betrachtet. Zur laufenden Berücksichtigung und Steuerung während des Betriebs wurden zwei mögliche Varianten entwickelt und deren Potential bewertet. Zur Validierung der beiden aktiven Eingriffsmethoden wurden diese in die Betriebsstrategie eines 48 V-Mild-Hybridsystems integriert und an einem HiL (Hardware in the Loop)-Prüfstand vermessen. Dieser HiL-Prüfstand umfasst dabei einen Ottomotor samt des 48 V-Mild-Hybridsystems. Die Messungen simulieren einen realen Fahrbetrieb anhand welchem das Potential der einzelnen Methoden bewertet werden soll. Dabei zeigte sich, dass nur eine der beiden Varianten eine Steuerbarkeit des Batteriealterungsverlaufs erlaubt. Es fanden auch Untersuchungen zum Einfluss der Batteriealterung auf die grundlegende Auslegung des Hybridsystems statt. Dabei werden unterschiedliche Auslegungen wie eine Kapazitätsverringerung der Batterie oder eine Absenkung des mittleren Ladezustands simulativ untersucht. Es zeigten sich einige Verbesserungsvorschläge in Bezug auf Reduktion des Kapazitätsverlusts als auch zur Kostensenkung für das zugrundeliegende Hybridsystem.

The focus on e-mobility to reduce CO2-emissions and reach the fleet consumption goals leads to the intensified spread of different hybrid system variations. A promising technology approach is 48 V mild-hybrid powertrains with relatively high fuel consumption savings at lower costs than full hybrid vehicles. A small electric motor with about 8 to 10 kW assists the combustion engine during acceleration (boosting) or recuperates energy during braking events. Such a system consists of a 48 V lithium-ion battery to store the electric energy. To reach an attractive cost to benefit ratio it has usually just a small capacity. A small battery leads to high current rates up to 30C. Regarding the high C-rates, only lithium-ion cells trimmed to high specific power output are used. An important aspect during operation of such a hybrid system is the battery aging due to the long life of a vehicle compared to consumer applications. But only a limited number of publications about the aging process and aging models focusing especially on automotive high power cells. Because of that, this thesis aims to investigate and model the aging process of high power cells. The newly received aging insights and appropriate aging models shall be considered at the hybrid system, so it can react properly to the current aging progress.To find the main influences on the aging of lithium-ion cells an aging test bench with a powerful fluid conditioning system is used. There are two different kinds of battery aging tests, the calendar and cycle investigations. Different conditions are varied to find the key influences on battery aging. For example, various ambient temperatures, state of charges, current rates and depth of discharges are tested. The temperature is confirmed as the dominant impact on battery aging of high power lithium-ion batteries. An aging model is combining all results for such battery cells. This model is also used to consider battery aging in the hybrid system. There are two different consideration methods of battery aging in a hybrid system. Either to consider the battery aging during operation by specifically controlling the aging process or even mind the aging at the initial hybrid powertrain design by assuming system operations and ambient conditions. Both possibilities are investigated using the aging insights of the investigations. For the continuous consideration and control of the aging during operation, two possible methods are developed and their potential will be assessed. The validation of both active methods is done by integrating them into the operating strategy of a mild-hybrid vehicle and test them at an engine test bench. This test bench consists of an Otto-engine and a 48 V -mild-hybrid system. The measurement simulates a usual driving of the hybrid vehicle and on that basis, the potential for the methods is assessed. Only one of them showed the ability to control the battery aging process.There are also investigations regarding the consideration of battery aging at the powertrain design. Different variants like a battery capacity decrease or a lowering of the state of charge were simulated and assessed. This led to some possible improvements for the hybrid system.