Adaptives Batterieschnellladen (ABSL)

Entwicklung eines Verfahrens zum schonenden Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien durch Echtzeit-Batteriezustandsdiagnose

Hintergrund und Motivation

Die im Rahmen der Mobilitätswende angestrebte weitgehende Umstellung weiter Bereiche des Individualverkehrs von kraftstoffbetriebenen auf batterieelektrische Fahrzeuge (battery electric vehicles, BEV) kommt insbesondere in Deutschland nur schleppend voran. Die dafür ursächliche geringe Akzeptanz von Elektroautos liegt vor allem an den vergleichsweise höheren Anschaffungskosten bei geringerer Reichweite, an der Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur und der als unkomfortabel empfundenen Dauer des Ladevorgangs. Da die Preise für Li-Ionen-Zellen bereits stark gesunken sind und bei der Ladeinfrastruktur erhebliche Fortschritte erreichbar scheinen, rückt die Problematik von geringer Reichweite in Verbindung mit langen Ladezeiten zunehmend in den Vordergrund. In diesem Zusammenhang ist die bekanntermaßen erhebliche Reduktion der Batterielebensdauer durch hohe Ladeleistungen von großer Bedeutung, weil kurze Ladezeiten nur durch hohe Ladeleistungen erzielbar sind.

Die etablierte Standardtechnologie für BEV ist der Lithium-Ionen-Akkumulator (LIA). Bei der Verwendung in Fahrzeugen wird eine Vielzahl von Einzelzellen in Reihe geschaltet, um die im Fahrzeug benötigte Spannung von typischerweise einigen hundert Volt zu erreichen. Da die Einzelzellen beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen Zellentemperaturen unterschiedliche Kapazitäten aufweisen und empfindlich auf Überladung oder Tiefentladung reagieren, muss durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) eine Überwachung der Einzelzellen erfolgen und erforderlichenfalls der Ladezustand der Einzelzellen durch geeignete Maßnahmen immer wieder aneinander angeglichen werden.

Die Grundidee des zu entwickelnden Verfahrens zum schonenden Batterieschnellladen ist in Abbildung 1 veranschaulicht.

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Abbildung 1: Grundidee des zu entwickelnden Verfahrens zum schonenden Batterieschnellladen

Zielsetzung

Kernelement der dargestellten kombinierten Regelung und Vorsteuerung des Ladestroms für die Zelle ist eine zu entwickelnde Diagnosemethode, die mit den im BMS zur Verfügung stehenden Mitteln den Alterungszustand (state of health, SOH) der zu ladenden Zelle ermittelt. Schreitet diese Alterung schneller voran als über einen Vorgabewert definiert, so wird von einem Ladestromregler der Ladestrom reduziert. Ist die aktuelle Alterung dagegen langsamer als tolerierbar, so wird der Ladestrom erhöht und damit ein schnelleres Laden realisiert. Zur Entlastung des Reglers wird zusätzlich eine Vorsteuerung (inverses SOH-Modell) entwickelt, die basierend auf den aktuell vorliegenden Randbedingungen (z.B. Zellentemperatur, Ladezustand, etc.) einen maximalen Ladestrom ermittelt.


Projektleitung

Prof. Dr. Josef Kainz (Koordination)
T +49 9421 187-270
josef.kainz [at]hswt.de

Projektmitwirkung extern

Projektdauer

01.01.2021 - 31.12.2023

Projektpartner

Projektförderung