Untersuchung und echtzeitfähige Modellierung von temperaturabhängigen Stromverteilungen in Lithium-Ionen-Batterien durch Segmentierung
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Date
2025-04-17
Authors
Menner, Sebastian
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Dissertation
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Abstract
Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos sind unterschiedlichsten Umwelteinflüssen ausgesetzt und sollen dennoch zuverlässig das Fahrzeug mit ausreichend Leistung versorgen. Zudem müssen Überbelastungen vermieden werden, um Sicherheit zu gewährleisten und eine lange Lebensdauer erzielen zu können. Verantwortlich für diesen Schutz ist das Batteriemanagementsystem (BMS), welches die Betriebsgrenzen an den aktuellen Zustand der Batterie anpasst. Für eine optimale Regelung muss dieser Zustand möglichst gut bekannt sein. Ein Problem dabei ist, dass sich die Batteriezellen aufgrund von Inhomogenitäten und Asymmetrien, sowohl in der Zelle selbst als auch außerhalb, nicht gleichmäßig erwärmen. Dies führt zu ungleichen Verteilungen der Stromdichte innerhalb der Zellen, die vom BMS nicht gemessen werden können. Je genauer die lokalen Stromdichten jedoch bekannt sind, desto präziser kann die Begrenzung des Gesamtstroms der Batterie angepasst werden.
Das Ziel dieser Arbeit besteht daher in der messtechnischen Untersuchung solcher temperaturbedingter, inhomogener Stromverteilungen. Hierzu wird ein segmentierter Ansatz verfolgt, bei dem eine großformatige Pouchzelle durch eine Parallelschaltung aus kleineren Segmentzellen nachgebildet wird. Ein geeignetes Messkonzept wurde erarbeitet, umgesetzt und erfolgreich validiert. Durch gezieltes Aufbringen von Temperaturgradienten werden inhomogene Stromverteilungen provoziert und in der Parallelschaltung gemessen. Anhand dieser Ergebnisse lassen sich Gesetzmäßigkeiten ableiten, die einen näherungsweise linearen Zusammenhang zwischen Stromverteilung, Temperaturgradient und Gesamtstromstärke während kurzen Strompulsen herstellen. Zudem besteht eine quadratische Abhängigkeit des Stromgradienten zur absoluten Temperatur. Der Ladezustand spielt hierbei nur eine untergeordnete Rolle. Die Resultate für kurze Strompulse können außerdem mit Einschränkungen auf dynamische Stromprofile, wie sie in realen Fahrzeugen auftreten, übertragen werden.
Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird abschließend ein neuartiger Modellansatz vorgestellt, der bei Kenntnis der aktuellen Temperaturverteilung und dem Gesamtstrom die lokale Stromverteilung echtzeitfähig auf dem BMS bestimmen kann. Hierbei wurde auf ein speicher- und recheneffizientes Design, einfache Parametrierbarkeit sowie hohe Robustheit Wert gelegt. Das Modell wird gegen einen klassischen Modellansatz auf Grundlage von Ersatzschaltbildmodellen verglichen und erfüllt die gesetzten Ansprüche.
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Faculties
Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie
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Institut für Mess-, Regel- und Mikrotechnik
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Keywords
Lithium-Ionen-Batterie, Temperaturbedingte Stromverteilung, Echtzeitfähige Modellierung, Pouchzelle, Lithium-Ionen-Akkumulator, Segmentierung, Pouch-Zelle, Parallelschaltung, Degradation <Technik>, Lithium ion batteries, Electric circuits, Parallel, DDC 620 / Engineering & allied operations