Untersuchung von elektrischen Speichersystemen für den Einsatz in Hybridfahrzeugen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein möglicher Weg zur Auswahl eines bestmöglich geeigneten Speichersystems für den Einsatz in hybriden bzw. elektrischen Fahrzeugen aufgezeigt.<br />Nach einer kurzen Einführung in Kapitel 1 wird in Kapitel 2 als erster Schritt eine Literaturrecherche durchgeführt, um die geeignetste Batterietechnologie auszuwählen. Die Recherchen zeigen übereinstimmend einen Trend zu Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer (Li-ion bzw. LiPoly) Batterien auf. In Kapitel 3 wird die Modellierung des Energiespeichers (Li-ion bzw. LiPoly Batterie und Supercaps) detailliert beschrieben. Für das komplexe Li-ion Batteriemodell werden 5 Varianten mit steigender Komplexität (d.h. Parameteranzahl) vorgestellt. Ebenso wird die genetische Algorithmen (GA) Methode beschrieben, die für die Modellparameterermittlung verwendet wird. Es wird eine Simulationsumgebung geschaffen, deren Ziel es ist, unterschiedliche Speichersysteme zu simulieren und verschiedene Betriebsstrategien zur Verbrauchsreduktion zu entwickeln. In Kapitel 4 werden die Prüfstandsmessungen der Energiespeicher ausführlich beschrieben. Mit den dabei gewonnenen Daten und der oben genannte GA Methode werden die Modellparameter ermittelt. Die Ergebnisse zeigen die Variante mit der optimalsten Parameteranzahl: "so einfach wie möglich, aber nicht einfacher" (A. Einstein). In Kapitel 5 werden die Kriterien für die Auswahl eines Speichersystems analysiert und als Beispiel wird ein Speichersystem für einen Scooter modelliert und simuliert. In Kapitel 6 werden die Ergebnisse des Batteriemodells mit einem elektrischen Motorrad im Rollenprüfstand validiert. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der simulierten und der gemessenen Werte auf. Dabei wird auch die originale Blei-Batterie des Motorrads mit dem dafür aufgebauten LiPoly Speichersystem verglichen. Das LiPoly Speichersystem weist wie erwartet deutlich mehr Leistung und eine längere Reichweite als die derzeitige Blei-Batterie auf.<br />Kapitel 7 fasst die durch die Arbeit erlangten Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf weitere mögliche Forschungsarbeiten.<br />

The purpose of this study was to present a methodology for selection of the most suitable energy storage unit for application in an electric or hybrid car.<br />After a short introduction in chapter 1, chapter 2 provides literature research as the first step in selecting the most suitable battery technology. The research shows a clear trend to lithium-ion and lithium-polymer (Li-ion and LiPoly) batteries. Chapter 3 describes in detail the energy storage models (Li-ion and LiPoly battery and Supercaps). For the complex Li-ion technology a battery model was introduced with 5 variants and increasing complexity (i.e. parameters number). It also describes the genetic algorithms (GA) method, used for the determination of the model parameters. A simulation environment is also detailed with different energy storage units and the development of an operational strategy to improve energy efficiency. Chapter 4 provides measurements of the energy storage units on a battery test bench. With the measured data and the above named GA method the model parameters are determined. The results exhibit the variant with the optimal parameter:<br />"as simple as possible, but not simpler" (A. Einstein). In chapter 5 the decision criteria are analyzed for the selection of an energy storage unit and as example are modelled and simulated as an energy storage unit for an electric scooter. In chapter 6 the results of the battery model are validated with data measured with an electric enduro motorcycle in a roller test bench. The results show agreement of the simulated and the measured values. The original lead-acid battery of the motorcycle was also compared concurrently with the constructed LiPoly energy storage unit. The LiPoly energy storage unit shows, as expected, a clearly improved power performance and longer driving range over the conventional lead-acid battery.<br />Chapter 7 summarizes the attained results and provides an outlook of possible further research.<br />