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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
Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
Folie 2 / 40
Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
Zelltests: Beispiel
Entladestrom: 2,6 C (39 A)
Temperaturerhöhung: circa 9 °C
Nennspannung: circa 2.91 V
Entladedauer: 1168 s
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
Hintergrund des Projekts: Pb-Säure-Batterien
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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Anpassung [Schritt 4]
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
Anpassung [Schritt 5]
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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Hintergrund des Projekts: Pb-Säure-Batterien
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!
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
Anpassung [Schritte 5 bis 8]
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 %
I = 0,5 C (7,5 A) , 0 < er < 5 I = 1,0 C (15 A) , 0 < er < 5 I = 2,6 C (39 A) , 0 < er < 5
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Anpassung [Schritte 9 bis 13]
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) ?
I = 0,5 C (7,5 A) , 0 < er < 2 I = 1,0 C (15 A) , 0 < er < 2 I = 2,6 C (39 A) , 0 < er < 2
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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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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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• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
9 einstellbaren Parameter
Keine Zufügung von neuen Parametern
möglich
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Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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
Folie 36 / 40
Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
• Auslegung und Aufbau
• Zelltests
• Batteriemodellierung
• Test mit einer anderen Stromstärke
• Vergleich mit einem anderen verfügbaren Modell
• Fazit und Aussicht
Inhalt
Folie 37 / 40
Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
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 %)
Folie 38 / 40
Formgebung und Funktionswerkstoffe: Elektrische SystemeFaculty of Electrical Engineering and Computer Science
Aussicht
Simulation des Aufladeprozesses
Berücksichtigung der Temperatureffekte während des Entladeprozesses
Berücksichtigung des Spannungsabfalles am Anfang des Entladeprozesses
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