Die Automobilindustrie verlangt nach Lithiumionen Batterien mit verbesserter Performance, Lebensdauer und Sicherheit. Grund dafür sind die steigenden Anforderungen von Applikationen und die Herausforderungen des elektrischen Fahrens im Allgemeinen. Die größte Herausforderung für Leistung, Lebensdauer und Sicherheit der Lithiumionen-Batterien ist dabei die Temperatur. Temperaturen über 60°C sorgen für schnelle Zersetzungsreaktionen in der Lithiumionen-Zelle. Fahrzeugtaugliche Lithiumionen-Zellen müssen mehrere Produktionsprozesse während der Herstellung einer High- End-Traktionsbatterie durchlaufen, unter anderem Laserschweißen, wobei die Zellen kurzfristig lokalen Temperaturen von bis zu 1500°C ausgesetzt sind. Bisher ist nicht erforscht, wie schnell sich die Temperatur in der Zelle erhöht und welchen Einfluss die kurzzeitige Temperaturbelastung auf Zellmaterial und Leistung ausübt.
Aktualisiert: 2023-04-27
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Lithium-Ionen-Zellen weisen während des Betriebs, beispielsweise durch Lithium-Interkalationsvorgänge, periodische Elektrodenmaterialausdehnungen auf. Diese treten sowohl reversibel im Rahmen der Lade- und Entladevorgänge, als auch irreversibel durch Alterungsvorgänge der Lithium-Ionen-Zelle, auf. Die Auswirkungen dieser Effekte und mögliche Optimierungsmaßnahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit auf allen relevanten Größenskalen (Elektroden-, Zell- und Modullevel) untersucht.
Aktualisiert: 2022-10-13
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Zur Speicherung der Energie in Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang werden überwiegend Lithium-Ionen-Zellen in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und Bauformen eingesetzt. Sämtliche elektrochemischen Zellen des Energiespeichers müssen durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht werden, um einen sicheren Betrieb während des Fahrbetriebs und des Ladens zu ermöglichen. Bei neuesten Ansätzen ist es auch möglich, die komplexe Impedanz jeder Zelle breitbandig zu bestimmen und so detaillierte Informationen über ihren inneren Zustand zu gewinnen. Zur Implementierung eines BMS in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und zur Entwicklung neuartiger Funktionen ist eine Erprobung unter realitätsnahen Bedingungen unverzichtbar. Versuche mit echten Batteriezellen sind dafür jedoch nicht praktikabel.
Um Mess- und Analysefunktionen zu testen, die das Impedanzspektrum einer Zelle über eine hohe Bandbreite erfassen, wird ein neuartiger Zellemulator mit der Fähigkeit zur flexiblen breitbandigen Impedanzemulation benötigt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Verifikation eines Zellemulators, der beliebige elektrochemische Batteriezellen in einem für die Anwendung relevanten Frequenzbereich nachbilden kann. Ein zentraler Aspekt ist die Erforschung von Methoden zur Emulation der komplexen Impedanz. Das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit des Emulators müssen ausreichend hoch sein, um die Impedanz einer typischerweise in der Elektromobilität verwendeten Zellen realitätsnah abzubilden. Die Emulation dieser arbiträren komplexen Impedanz erfordert sowohl eine Modellierung zur Simulation der elektrochemischen Zelle, als auch eine geeignete elektronische Schaltung zur Ausgabe der Strom- und Spannungsgrößen.
Aktualisiert: 2022-10-13
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Kern der Arbeit von Alexander Kohs ist die Herleitung einer Methode zur Bestimmung der Alterung von Batterien. Durch Anwendung der statistischen Versuchsplanung parametriert der Autor dabei ein Batteriemodell mit einer minimalen Anzahl von Versuchen. Es kommen unterschiedliche Charakterisierungsmethoden zur Bestimmung des Batteriezustands zum Einsatz. Neben der Bestimmung der Restkapazität und des Innenwiderstands sind dies Impedanzspektroskopie und Pulsmessung. Die Ergebnisse der Charakterisierung werden mithilfe einer multiplen Regression modelliert.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Kern der Arbeit von Alexander Kohs ist die Herleitung einer Methode zur Bestimmung der Alterung von Batterien. Durch Anwendung der statistischen Versuchsplanung parametriert der Autor dabei ein Batteriemodell mit einer minimalen Anzahl von Versuchen. Es kommen unterschiedliche Charakterisierungsmethoden zur Bestimmung des Batteriezustands zum Einsatz. Neben der Bestimmung der Restkapazität und des Innenwiderstands sind dies Impedanzspektroskopie und Pulsmessung. Die Ergebnisse der Charakterisierung werden mithilfe einer multiplen Regression modelliert.
Aktualisiert: 2023-04-01
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Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells für Lithiumionenzellen mittels linearer Schadensakkumulation am Beispiel von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Zellen mit Graphitanode. Es wird der Unterschied zwischen Alterungsuntersuchungen und Lebensdauerprognose thematisiert. Als Kriterium für das Lebensdauerende der Zellen wird eine Kapazitätsabnahme um 30 % bzw. Innenwiderstandszunahme um 200 % verwendet. Versuche mit unterschiedlichen Entladeströmen und Zyklentiefen haben gezeigt, dass das Lebensdauerende unter der Annahme der Additivität des Lebensdauerverlusts pro Ereignis bzw. Zyklus bestimmt werden kann. Das Lebensdauerprognosemodell kann genutzt werden, um mit Hilfe synthetischer Lastprofile einen beschleunigten Lebensdauertest zu definieren und die Restlebensdauer bei Second-Life-Konzepten abzuschätzen.
Aktualisiert: 2023-01-01
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In dieser Arbeit wird der Einfluss der Kompaktierung von LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2- und Graphit-basierten Elektroden in einem weiten Porositätsbereich vom unverdichteten Zustand bis Porositäten < 20% elektrochemisch bei Stromraten zwischen C/20 und 5C charakterisiert. Aus den ermittelten Kapazitäten werden u.a. gravimetrische und volumetrische Betrachtungen in Ragone-Plots dargestellt und mit den Erkenntnissen der Mikrostrukturanalyse korreliert. In this work, the influence of compaction of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 and graphite-based electrodes is characterized electrochemically at current rates between C/20 and 5C in a wide porosity range from uncompacted states to porosities < 20%. From the determined capacitances, gravimetric and volumetric considerations, among others, are presented in Ragone plots and correlated with the microstructural analysis findings.
Aktualisiert: 2021-10-21
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Die kontinuierliche lösemittelfreie Beschichtung von Feststoffelektroden und Separatoren ermöglicht eine umweltfreundliche, kostengünstige und zeitsparende Produktion unter Ausschluss toxischer Lösemittel. Auftretende Koordinationsprozesse zwischen dem polymeren Stützgerüst und Leitsalz werden untersucht und durch gezielte Partikelbeschichtung unterdrückt.
Ein vorgeschlagenes Berechnungsmodell bietet die Möglichkeit einer genauen Kalkulation der für eine ausreichende Partikelbeschichtung notwendigen Zugabemenge. Die zugegebenen Partikel gewährleisten die Fließfähigkeit der Pulvermischungen und übernehmen sowohl im Separator als auch in der Kathode eine spätere Funktion in der Zelle. Optimale Temperatur- und Druckeinwirkungen während des Herstellungsprozesses garantieren eine kontinuierliche Produktion der fließfähigen Vormischungen zu freistehenden Festkörperseparatoren und Elektroden.
Aktualisiert: 2022-10-06
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In den letzten Jahren hat die Elektromobilität eine immer größere Bedeutung für die globale Automobilindustrie eingenommen. Für die Kundenakzeptanz ist es wichtig, die verbleibende Reichweite während der Fahrt zuverlässig vorherzusagen. Hierfür sind der aktuelle Lade- und Alterungszustand des Energiespeichers notwendig. Beide Größen lassen sich jedoch nicht direkt messen und müssen stattdessen durch Schätzverfahren im laufenden Betrieb bestimmt werden. Derzeit angewendete Verfahren basieren auf stark vereinfachten Modellen der Energiespeicher, die insbesondere Alterungseffekte nicht adäquat abbilden und im Laufe der Lebensdauer zunehmend Schätzfehler verursachen.
In dieser Arbeit werden Messsysteme und Untersuchungsverfahren vorgestellt, mit denen Modelle des elektrischen Verhaltens von Li-Ionen-Zellen während der Durchführung von Alterungsuntersuchungen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen bestimmt werden können. Die Entwicklung eines 600A-Testsystems für Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Bandbreite und Messgenauigkeit wird vorgestellt, welches in einem Testzentrum mit mehr als 100 Einzelmessplätzen zur Anwendung kommt. Optimierte Auswerteverfahren ermöglichen die Erstellung eines mathematischen Zellmodells, welches unter realistischen Betriebsbedingungen im Kfz und für die gesamte Lebensdauer gültig ist.
Auf dem Modell aufbauend wird die Entwicklung optimierter Schätzverfahren für die Bestimmung von Lade- und Alterungszustand von Lithium-Ionen Zellen vorgestellt, die hinsichtlich Messanforderungen, Robustheit und Rechenbedarf für eine Echtzeitanwendung in Kraftfahrzeugen geeignet sind. Durch eine Verifikation mit dynamischen, realitätsnahen Belastungsprofilen wird die Leistungsfähigkeit der Verfahren über der gesamten Lebensdauer des Energiespeichers demonstriert.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Verfahren zur Klassifikation von Ungänzen bei der optischen Prüfung von Batterieseparatoren
Aktualisiert: 2021-12-16
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Die Automobilindustrie verlangt nach Lithiumionen Batterien mit verbesserter Performance, Lebensdauer und Sicherheit. Grund dafür sind die steigenden Anforderungen von Applikationen und die Herausforderungen des elektrischen Fahrens im Allgemeinen. Die größte Herausforderung für Leistung, Lebensdauer und Sicherheit der Lithiumionen-Batterien ist dabei die Temperatur. Temperaturen über 60°C sorgen für schnelle Zersetzungsreaktionen in der Lithiumionen-Zelle. Fahrzeugtaugliche Lithiumionen-Zellen müssen mehrere Produktionsprozesse während der Herstellung einer High- End-Traktionsbatterie durchlaufen, unter anderem Laserschweißen, wobei die Zellen kurzfristig lokalen Temperaturen von bis zu 1500°C ausgesetzt sind. Bisher ist nicht erforscht, wie schnell sich die Temperatur in der Zelle erhöht und welchen Einfluss die kurzzeitige Temperaturbelastung auf Zellmaterial und Leistung ausübt.
Aktualisiert: 2019-11-13
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In heutigen Hybrid- sowie Elektrofahrzeugen werden Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher eingesetzt. Die gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen geringe Energiedichte führt zu verhältnismäßig schweren Speichersystemen und trägt dazu bei, dass elektrisch betriebene Fahrzeuge tendenziell schwerer sind als konventionell angetriebene Fahrzeuge. Ein weiterer, großer Anteil des Gewichtszuwachses entfällt auf die Integration der Batterie in die Fahrzeugkarosserie sowie die crashsichere Auslegung von Fahrzeug- und Batteriestruktur. Nicht zuletzt durch den Brand dreier Fahrzeuge des Models Tesla S sowie eines Chevrolet Volts ist letztere aus Sicht der Öffentlichkeit sowie der Hersteller von besonderer Bedeutung, und bedingt eine detaillierte Betrachtung des Energiespeichers im Entwicklungsprozess, um etwaige Beschädigungen sowie deren mögliche Folgen (z.B. „thermal runaway“) zu vermeiden. Aktuell verwendete Simulationsansätze zur Beurteilung der Energiespeicherschädigung beim Fahrzeugcrash mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) bedingen eine konservative Auslegung der Strukturen, da das Verhalten einzelner Zellen in der Crashsimulation nicht abgebildet wird und somit eine Aussage über die Zellschädigung nicht möglich ist. Zur Deckung des Forschungsbedarfs wird im Rahmen dieser Arbeit eine Methodik für den Aufbau eines Zellsimulationsmodells aufgestellt und diese exemplarisch auf ein in Großserie hergestellten Kleinwagen, eine Energiespeicherposition im Fahrzeug sowie eine Zellbauform angewendet.
Aktualisiert: 2021-12-30
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Batterieproduktion – Vom Rohstoff bis zum Hochvoltspeicher
Aktualisiert: 2020-12-16
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