Thesis Defence

Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science

Bachelorthesis :

Design, Test and Simulation of an Automotive

Lithium-Ions Battery Pack

14.03.2013, Bremen

Etienne Leduc

Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

Wiener Straße 12, 28359 Bremen, Deutschland

[email protected]


• Auslegung und Aufbau

• Zelltests

• Batteriemodellierung

• Test mit einer anderen Stromstärke

• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell

• Fazit und Aussicht

Inhalt

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• Zelltests





Inhalt

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Bedingungen

Motor/Umrichter vom Stromos (400 V)

Kapazität: circa 6 kWh

maximale Maße (Temperaturkammer): 0,91 x 1,075 x 0,94 m

maximales Gewicht (Temperaturkammer) : 500 kg

Zellen: max. 156

Zellen pro Modul: max. 12

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Auslegung

Zellen pro Modul: 10

Module: 12

Nennspannung: 402 V

1) Module

2) Lüfter

3) Battery management

system (BMS)

4) Anschlussklemmen

5) Luftausgangsgitter

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Schaltplan

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Aufgebautes Batterie-Pack

1) MSD

2) Erdung

3) BMS

4) Lüfter

5) Anschlussklemmen

Maße: 0,36 x 0,91 x 0,705 m

Gewicht: 121,5 kg

6) Netzteil

7) Thermal Expansion Pack

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Programmierung der Software

Eingabe:

Batterietyp

Stromsensortyp

Anzahl Zellen (in parallel)

Anzahl Zellen (in serie)

Ausgabe:

Lade- und Entladespannung

Kapazität- und

Spannungskompensierung mit

der Temperatur

Sicherheitsmaßnahmen

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• Zelltests





Inhalt

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Zelltests

Vorteile:

Herstellerdaten überprüfen

Grenzen feststellen

Datenerfassung für mehrere

Temperaturen und Stromstärke

notwendige Daten für die Simulation:

Innenwiderstand

Kapazität

Nennspannung

Umgebungstemperatur

Spannungskurven und Dauer

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Zelltests: Beispiel

Entladestrom: 2,6 C (39 A)

Temperaturerhöhung: circa 9 °C

Nennspannung: circa 2.91 V

Entladedauer: 1168 s

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• Zelltests





Inhalt

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Hintergrund des Projekts: Pb-Säure-Batterien

erster Schritt in die

Batteriesimulation

Hypothese: das gleiche

Modell kann für die

Simulation verschiedener

Batteriechemien verwendet

werden

Ziel: er < 0,5 %

I = 0,25 C (33 A), 0 < er < 1,5

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Aufbau eines Pb-Säure-Modells in Simulink – Übersicht Zelle

1

1 Hauptzweig: Klemmenspannung nach chemischen Gegebenheiten (z. B. Pb-Säure/Lithium)

2

2 Anlaufverhalten: reaktionsträges Verhalten bei schneller Änderung der Anforderungen

3

3 Exponentielles Verhalten der Spannung am Ende des Entladeprozesses

4

4 Anfangsspannung

MATLAB demos, matlabroot/toolbox/physmod/simscape/simscapedemos/ssc_lead_acid_battery

5

5 Thermischer Zweig: z. B. Elektrolyttemperatur jeder Zelle

6

6 Störzweig und Widerstand für den Aufladeprozess

6

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Grundlagen und Prinzipien für die Anpassung

3 Prinzipien:

Auswirkungen von jedem einzelnen Parameter

physische Gesetze sollen befolgt werden

Mit einer Reihe von Bedingungen (Temperatur/Stromstärke) beginnen

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Eine Reihe von Bedingungen

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Flussdiagramm

7 Schritte und 6 Fragestellungen

4 Hauptgruppen: Anfangsparameter [Schritt 1], logisch ableitbare

Parameteränderung [Schritte 2 bis 4], Zufügung eines neuen Parameters

[Schritt 5] und Feinanpassung [Schritte 6 und 7]

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Anpassung [Schritt 1]

Nennkapazität

Umgebungstemperatur

Nennstrom

Wertetabelle (Kapazität

gegen Temperatur)

Innenwiderstand

Fehler < 2,5 % bis 14 000 s

und dann < 23 %

Anfangszustand nach der Einstellung von den Anfangsparametern [Schritt 1]

I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 25

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Anpassung [Schritte 2 und 3]

Anfangsspannung kann

verbessert werden (Em0)

[Schritt 2]

Da I = 0,2 C (3 A) als Nennstrom

ausgewählt wurde sollten die

SOC und DOC am Ende des

Entladeprozesses 0 sein.

[Schritt 3]

Logisch ableitbare Parameteränderung

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geänderte Parameter: Anfangsspannung (Em0), kapazitätsbeeinflußende

Konstante (Kc) und Steilheit des Hauptteils der Kurve (A0 und Ke) [bis Schritt 4]

Fehler < 0,4 % bis 14 000 s und dann < 20 %

I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 25 I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 2

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Fehler < 0,5 % bis 17 000 s und dann < 25 %

Noch nur eine Frage von kleinen Änderungen... [Schritte 6 und 7; 5 Parameter]

Zufügung eines neuen Parameters: Potenz in R1 (exponentielles Verhalten der

Spannung am Ende des Entladeprozesses) [Schritt 5]

I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 25 I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 2

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Ergebnis

Fehler im Bereich

von 0 bis 0,45 %

I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 2

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Andere drei Kurven

Anfangszustand für I = 0,5 C (7,5 A), I = 1,0 C (15 A) und I = 2,6 C (39 A) nach

der Anpassung für I = 0,2 C (3 A)

Die Anpassung ist noch nicht fertig…

I = 0,5 C (7,5 A) , 0 < er < 25 I = 1,0 C (15 A) , 0 < er < 25 I = 2,6 C (39 A) , 0 < er < 25

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Alle Reihen von Bedingungen

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Flussdiagramm

13 Schritte und 3 Fragestellungen

3 Hauptgruppen: Anlaufspannung [Schritte 1 bis 4], Steilheit des Hauptteils

der Kurve [Schritte 5 bis 8] und exponentielles Verhalten am Ende der Kurve

[Schritte 9 bis 13]

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Aufbau eines Pb-Säure-Modells in Simulink – Übersicht Zelle

1

1 Hauptzweig: Klemmenspannung nach chemischen Gegebenheiten (z. B. Pb-Säure/Lithium)

2

2 Anlaufverhalten: reaktionsträges Verhalten bei schneller Änderung der Anforderungen

3

3 Exponentielles Verhalten der Spannung am Ende des Entladeprozesses

4

4 Anfangsspannung

MATLAB demos, matlabroot/toolbox/physmod/simscape/simscapedemos/ssc_lead_acid_battery

5

5 Thermischer Zweig: z. B. Elektrolyttemperatur jeder Zelle

6

6 Störzweig und Widerstand für den Aufladeprozess

6

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Anpassung [Schritte 1 bis 4]

1. Anlaufspannung

Komponente: R0, Variable: -i/I*

Gleichung: 𝑹𝟎 = 𝑹𝟎𝟎𝑺𝑶𝑪·[𝒍𝒏 𝑨𝟎𝟐· (−𝒊 𝑰∗) + 𝑨𝟎𝟑𝟓 + 𝑨𝟎𝟒]

Fehler am Anfang gegen 0!


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2. Steilheit des Hautpteils der Kurve

Komponente: R0, Variablen: SOC, -i/I*

Gleichung: 𝑹𝟎 = 𝑹𝟎𝟎𝑺𝑶𝑪·[𝒍𝒏 𝑨𝟎𝟐 (−𝒊 𝑰∗) + 𝑨𝟎𝟑𝟓 + 𝑨𝟎𝟒]

𝒆𝒙𝒑(𝑬𝟎𝟏−𝑬𝟎𝟏·𝑺𝑶𝑪)

𝑬𝟎𝟏 = 𝑨𝟎𝟓 (−𝒊 𝑰∗)𝟐+ 𝑨𝟎𝟔 (−𝒊 𝑰∗) + 𝑨𝟎𝟕

Fehler bis 90 % der Zeit in jeder Kurve < 0,5 %


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3. Exponentielles Verhalten

Komponente: R1, Variablen: -i/I*, DOC

Gleichung: 𝑹𝟏 = −𝑹𝟏𝟎 𝐥𝐧(𝑫𝑶𝑪)𝑩𝟎𝟏 (− 𝑰𝒃𝒂𝒕𝒕 𝑰∗)𝑩𝟎𝟐·𝒂𝒃𝒔(𝒍𝒏(𝒂𝒃𝒔(𝑫𝑶𝑪+𝑯𝟎𝟏))

𝑯𝟎𝟐)

𝑯𝟎𝟏 = 𝑩𝟎𝟑 (−𝒊 𝑰∗)𝟐+ 𝑩𝟎𝟒 (−𝒊 𝑰∗) + 𝑩𝟎𝟓 𝑯𝟎𝟐 = 𝑩𝟎𝟔 (−𝒊 𝑰∗)

𝟐+ 𝑩𝟎𝟕 (−𝒊 𝑰∗) + 𝑩𝟎𝟖

Fehler über die ganze Kurve < 0,5 % für 3 Stromstärken

Was mit I = 0,2 C (3 A) ?


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Ergebnis

Das Ergebnis für I = 0,2 C hat sich kein bisschen geändert, d.h. der relative

Fehler liegt immer noch im Bereich von 0 bis 0,45 %.

Anfangszustand I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 2 Endzustand I = 0,2 C (3 A), 0 < er < 2

Ziel erreicht !!

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• Zelltests





Inhalt

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Test mit einer anderen Stromstärke

Fehler < 0,5 % bis 1000 s

(wenn R1 anfängt zu wirken)

und dann bis 85 %

Eine Mitberücksichtigung von

I = 2,0 C (30 A) in den

Schritten 9 bis 13 könnte

diese Abweichung

korregieren

I = 2,0 C (30 A), 0 < er < 5

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Test mit einer anderen Stromstärke

Fehler nahezu 1 %, außer

für den Spannungsabfall

am Anfang der Kurve

I = 2,0 C (30 A), 0 < er < 5

(− 𝑰𝒃𝒂𝒕𝒕 𝑰∗)𝑩𝟎𝟐∗𝒂𝒃𝒔(𝒍𝒏(𝒂𝒃𝒔(𝑫𝑶𝑪+𝑯𝟎𝟏))𝑯𝟎𝟐)

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• Zelltests





Inhalt

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Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell

9 einstellbaren Parameter

Keine Zufügung von neuen Parametern

möglich

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Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell

Vorteile:

sehr schnelle Anpassung des Modells möglich

Fehler < 1 % über die ganze Kurve für I = 0,2 C (3 A)

Nachteil:

weitere Anpassung für andere Stromstärken NICHT möglich!

I = 0,2 C (3 A) , 0 < er < 5 I = 1,0 C (15 A) , 0 < er < 25 I = 2,6 C (39 A) , 0 < er < 25

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• Zelltests





Inhalt

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Fazit

Beachtung der drei wichtigen Prinzipen bei der Anpassung

Das Pb-Säure/LFP Modell bietet viel Flexibilität

Ein Modell für verschiedene Batteriechemien (Genauigkeit 99,5 %)

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Aussicht

Simulation des Aufladeprozesses

Berücksichtigung der Temperatureffekte während des Entladeprozesses

Berücksichtigung des Spannungsabfalles am Anfang des Entladeprozesses

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Automotive

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