Lebenslange Batterieverfügbarkeit

Das Alterungsverhalten in Bezug auf die Lebensdauer einer Batterie ist mit der zunehmenden Anwendung von Lithium-Ionen-Batterietechnologie in der Automobilindustrie ein wichtiges Thema für die heutigen xEV-Fahrzeuganwendungen, da es die zwei entscheidenden Performance-relevanten Batterieparameter Kapazität und Innenwiderstand beeinflusst. Die Kenntnis des Alterungsstatus (SOH, State of Health) von Batteriesystemen ist vor allem für OEMs, Werkstätten und sogar Kunden interessant. Zudem müssen einige BMS-Funktionen während des Betriebs angepasst werden, um die Verfügbarkeit des Batteriesystems während der gesamten Lebensdauer zu gewährleisten.

Technische Herausforderungen bei der Vorhersage der Alterung

Alterungsmechanismen von Batteriezellen werden in zwei Bereiche aufgeteilt:

• Kalendarische Alterung in Abhängigkeit von SOC (State of Charge (Ladezustand)) und Temperatur
• Zyklische Alterung, je nach Tiefe der Entladung und C-Rate

Beide Fälle führen zu einem Kapazitätsverlust und einem erhöhten Innenwiderstand, wodurch ein direkter Nachteil für die Systemleistung entsteht.

Um ausreichende Informationen für das fahrzeuginterne Alterungsmodell mit Blick auf Kapazitätsverlust und Innenwiderstandszunahme zu erhalten, muss eine vollständige Batteriezellenprüfung durchgeführt werden, die auch die Lagerung und Zyklisierung unter definierten Bedingungen über einen längeren Zeitraum umfasst.
Alternativ kann eine beschleunigte Alterung angewendet werden, um Zeit zu sparen: Hierzu werden beispielsweise sehr hohe Betriebstemperaturen während der Prüfungen zur zyklischen Alterung genutzt, um eine schnellere Alterung herbeizuführen. Im Vergleich zum nicht-beschleunigten Ansatz kann jedoch die extrapolierte Unschärfe der Ergebnisse die Genauigkeit der Alterungsvorhersage über den gesamten Produktlebenszyklus beeinträchtigen. Zudem sind unangepasste statische Modelle bei beiden Alterungsanalysen unter Umständen nicht präzise genug für eine valide Alterungsvorhersage über die gesamte Lebensdauer hinweg. Daher sollten sie mittels Echtzeit-Fahrzeugdaten im laufenden Betrieb durch einen Vergleich von gemessenen und geschätzten Batterieparametern adaptiert werden.

Online-Anpassungskonzept der FEV

Vor diesem Hintergrund hat FEV ein Online-Anpassungskonzept entwickelt, das auf komplexe Modelle zur Alterungsvorhersage verzichtet. Dieses Konzept reduziert den Aufwand sowohl während der Prüfung der Batteriezelle als auch in Bezug auf die Komplexität der BMS-Software und -Hardware. Das Konzept bestimmt den SOH durch die Überwachung grundlegender BMS-Funktionen, die zu Beginn der Lebenszeit des Batteriebetriebs kalibriert werden: die SOC-Berechnung und die Leistungsprognose. Diese BMS-Funktionen werden unmittelbar durch Alterung beeinflusst: Eine verlässliche Vorhersage der zu erwartenden Leistung ist aufgrund des erhöhten Innenwiderstands immer schlechter möglich. Ferner wird der SOC mit ansteigendem Fehler berechnet, da er die ursprüngliche und nicht die tatsächliche Batteriekapazität verwendet. Mittels eines Smart-Vergleichs der operativen Daten und der zugehörigen erwarteten Werte unter bestimmten Betriebsbedingungen werden ferner die BMS-Funktionen im FEV-Ansatz angepasst. So kann die Verfügbarkeit des Batteriesystems über die gesamte Lebensdauer hinweg gewährleistet werden.

Ausblick

Dieser Ansatz wurde als kosten- und aufwandsoptimierte Methode für die Bestimmung des SOH während des Lebenszyklus einer Batterie und für die Anpassung der relevanten BMS-Funktionen entwickelt. Das Ziel ist nicht der Ersatz etablierter Methoden, sondern die potenzielle Verbesserung des Systemverhaltens in sehr kosten- und zeitempfindlichen Entwicklungsprojekten.