Aktive BalancingSysteme fr LithiumIonen Batterien und deren Auswirkungen
Aktive Balancing-Systeme für Lithium-Ionen Batterien und deren Auswirkungen auf die Zellalterung Promotionsvortrag 30. 06. 2017 Manuel Brühl 1
Passives Balancing SOC Ausgleich Ladung ∆C Ausgleich nicht möglich! Entladung Ungenutzte Kapazität! Aktives Balancing 2 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Welche Zellstreuung ist zu erwarten? Kapazitäten von 20. 000 neuen Zellen Journal of Power Sources 239. Okt. 2013. S. 642 -650. Verteilungsdichte σ = 1, 3% Wahrscheinlichkeit, dass eine Zelle x < μ - 2σ P 1 = 2, 3% Wahrscheinlichkeit bei 100 Zellen, dass min eine Zelle x < μ - 2σ P 100 = 1 -(1 -P 1)100 = 90% Stärkere Ausreißer sind bei vielen Zellen in Serie sehr wahrscheinlich! Kapazität / CN [%] 2σ Kapazitätsverlust: ∆s = 2, 6% 3 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Einfluss auf die Streuung und deren Reduktion unterschiedliche Zellbelastung (T, DOD, Druck, . . . ) µ/CN = 94% σ/µ = 1, 6% ∆s ≈ 9% Journal of Power Sources 297. Nov. 2015. S. 242 -251. Zell. Streuung Natürliche Streuung während der Alterung Verteilungsdichte [%] Produktionsschwankungen Messdaten aus dem Feld ■ Verbesserte Produktionsqualität ■ Aussortieren von schlechten Zellen Kapazität [Ah] ■ Verbesserte Kühlung ■ Erkennen von Ausreißern und austauschen von Zellen bzw. Modulen ■ Mittelung durch Parallelschaltung von Zellen ■ Beeinflussung der Zellalterung durch Veränderung der Zellbelastung ■ Umladen der Zellen im Betrieb durch aktives Balancing 4 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Zellaufbau und Alterungsmechanismen Kathode (z. B. Li. Co. O 2) Li+ Anode (Grafit) Entladen Laden Separator ■ Verstärkte Alterung □ hohe Entladetiefen (DODs) □ hohe Zellspannungen bzw. Ladezustände (SOCs) □ hohe Temperaturen 5 30. 06. 2017 | Manuel Brühl Journal of Power Sources 147. Sep. 2005. S. 269 -281. Käbitz, S. Diss. RWTH Aachen. 2016. Elektrolyt Donor Solvent
Fragestellung – Zellalterung im Serienbetrieb? Referenz. Test DOD (Entladetiefe)Anpassung ∆UAnpassung 100 0 neu 6 gealtert 30. 06. 2017 | Manuel Brühl neu gealtert
Beispiel-Zyklus der drei Tests Referenz. Test 7 30. 06. 2017 | Manuel Brühl DODAnpassung ∆UAnpassung
Verlauf der Entlade-Kapazitäten und deren Streuung [m. Ah] Referenz Ref 8 30. 06. 2017 | Manuel Brühl 2εQ 2σQ # der Wechsel ∆U DOD ∆U ∆U +εQ -εQ Streuung [m. Ah] C [Ah] -1 C DOD ∆Cmax [m. Ah] Referenz
Verlauf der Lade-Kapazitäten und Entlade-Pulswiderstände 9 30. 06. 2017 | Manuel Brühl DOD 2σQ # der Wechsel ∆U 2σR # der Wechsel -1 C ∆Rmax [mΩ] Rp [mΩ] C [Ah] +1 C ∆Cmax [m. Ah] Referenz 2εQ
Anforderungen an das aktive Balancing (1) (2) (3) (4) (5) ■ Basis-Anforderungen zum SOC-Abgleich □ □ □ Robust gegen kritische Fehler (Zellkurzschluss, Zellüberladung) Umladen auch zwischen Modulen möglich günstig, klein, (leicht) Modular erweiterbar (für große Zellstränge), einfach kontaktierbar gleichmäßige Bauteilbelastung (Spannungsfestigkeit) ■ Anforderung zum Ausgleich von Kapazitätsunterschieden im Betrieb □ Zellspannungsunabhängiges Umladen □ schnelles Ausgleichen von schlechten Zellen □ hoher Wirkungsgrad 10 30. 06. 2017 | Manuel Brühl (6)
Hardware-Entwicklung der Zelle Topologie ■ Ziele: □ hoher Wirkungsgrad □ Konverter-Ansteuerung TOP 11 30. 06. 2017 | Manuel Brühl BOTTOM Balancing-Module
Dioden-Leitung (DL) vs. Synchron-Gleichrichtung (SG) Master DL Slave (DL) Slave (SG) 12 SG Body-Diode Schottky-Diode UD 0, 8 bis 1 V 0, 4 bis 0, 5 V Ileck < 1μA > 100 μA 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Zusammenfassung und Ausblick ■ 13 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
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ANHANG 16 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Welche Zellstreuung ist zu erwarten? Wahrscheinlichkeitsverteilung Wahrscheinlichkeitsdichte σ = 1, 3% P für einen Ausreißer bei N Zellen 17 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Experimentelle Alterungsuntersuchungen zur Zellstreuung bei zyklischer Belastung Streuung wegen Temperaturgradient 1 p 24 s ∆T = 9°C 18 30. 06. 2017 | Manuel Brühl Lehner, S. Diss. RWTH Aachen. 2017. Journal of Power Sources 247. Feb. 2014. S. 332 -338. Natürliche Streuung während der Alterung
Kathode (z. B. Li. Co. O 2) Käbitz, S. Diss. RWTH Aachen. 2016. Zellaufbau und Alterungsmechanismen Li+ Anode (Grafit) Entladen Laden Separator Donor Solvent Journal of Power Sources 147. Sep. 2005. S. 269 -281. 19 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Prüfstand für den Alterungstest 18650 er Zelle von Samsung Zelltester (Digatron) Aktivmaterial Graphit | NMC Messspannung Nennkapazität 1. 5 Ah Stell- & Messstrom 40 m. A bis 20 A Ladestrom <4 A (2. 7 C) Abtastzeit Entladestrom <18 A (12 C) Temperaturkammer (Binder) Temperatur 35 °C Abweichung ± 1 K 20 30. 06. 2017 | Manuel Brühl 10 m. V bis 5 V >100 ms
Beeinflussung der Zellalterung zur Zellstreuungsreduktion gut Referenztest ohne Anpassung CU ZYK CU 21 30. 06. 2017 | Manuel Brühl DOD- und IAnpassung ∆U-Fenster Anpassung mittel schlecht 0. 85 1. 0 0. 85 0. 7 SOC: 0 -100% 0. 85 1 p 8 s
Check-Up-Test ± 11, 3 m. Ah ± 1, 2 m. Ah 22 30. 06. 2017 | Manuel Brühl ± 0, 1% CN ± 1% CN
Check-Up-Test ± 1 mΩ 23 30. 06. 2017 | Manuel Brühl ± 3%
Verlauf der Lade-Kapazitäten und Entlade-Pulswiderstände T [°C]: 34. 5 35. 5 24 30. 06. 2017 | Manuel Brühl Messunsicherheit: σQ ≈ ± 1. 2 m. Ah Fehlergrenze: εQ ≈ ± 11, 3 m. Ah
Mittelwertfreie Streuung der Kapazitäten (Dch/Cha) Ref 25 30. 06. 2017 | Manuel Brühl DOD ∆U
Zunahme des Puls-Widerstands Messunsicherheit: σQ ≈ ± 1 mΩ 26 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Mittelwertfreie Streuung der Puls-Widerstände Ref 1. Puls 27 30. 06. 2017 | Manuel Brühl DOD 1. Puls ∆U 1. Puls
Simulationsablauf – Wahl der Topologie & Zellanzahl Zelle↔Zelle 28 Pack→Zellen 30. 06. 2017 | Manuel Brühl Zellen↔Pack Zellen↔DC-Bus
Simulationsablauf – Lade SOC-Verteilung 2. 000 SOC-Verteilungen pro Hardware-Setup 29 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Simulationsablauf – Berechne Balancing ■ 30 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Simulationsablauf – Auswertung ■ 31 ideales Balancing 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Ergebnis für 12 Zellen in Serie 32 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Ergebnis in Abhängigkeit der Anzahl der Zellen in Serie 33 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Dimensionierung ■ 34 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Dimensionierung der Spule 16, 3 mm CCM DCM 35 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Mosfet-Ansteuerung Natürliches. Balancing d = 50% Erzwungenes. Balancing d variabel Low-Side Mosfet ist Master UZS = 3, 4 V 36 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Mosfet-Ansteuerung ■ Logik-Schaltung ■ PWM-Verzögerung ■ Stromerkennung 37 30. 06. 2017 | Manuel Brühl DIR PWM delay CD South-to-North EN North is Slave North-to-South off South is Slave South is Master North is Master
Mosfet-Ansteuerung ■ Logik-Schaltung ■ PWM-Verzögerung ■ Stromerkennung 38 30. 06. 2017 | Manuel Brühl PWMorg PWMdelay
Stromerkennung (CD) 39 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Stromerkennung (CD) 40 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Komponentenvergleich aktives vs. passives Balancing 41 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Bauteilkosten für ein Batteriesystem mit 96 Zellen 1 x μController + P. Basiskosten 377 € (3, 9 €/Zelle) Kontaktierung NTC Zellüberwachung Einzelpreise Farnell Stand: Mai 2017 Sicherung Passives Balancing 618 € (6, 5 €/Zelle) Aktives Balancing 1. 300 € (13, 5 €/Zelle) Mehrkosten ca. ∆K = 7€/Zelle 42 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
Zulässige Mehrkosten des aktiven Balancings 43 30. 06. 2017 | Manuel Brühl
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