Energiespeicher und deren Alterung am Beispiel von Lithium Ionen Akkumulatoren

Abstract

Die Thematik der elektrischen Energiespeicher ist aktuell von wesentlicher Bedeutung. Einerseits fordert der immer höher werdende Anteil regenerativer Erzeugungsanlagen, aufgrund der hohen Erzeugungsschwankungen, Möglichkeiten zur Energiespeicherung.<br />Andererseits wird durch die Automobilbranche und dem Übergang hin zu Elektrofahrzeugen die Speicherthematik in den Vordergrund gerückt. In diesem Zusammenhang spielt die Lebensdauer der Batterie eine große Rolle, da die Herstellung dieser Speicher zurzeit mit sehr hohen Kosten verbunden ist. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über vorhandene Speichertechnologien und behandelt die Implementierung einer konkreten Speicherart in MATLAB Simulink. Mit diesem Modell werden verschiedene Alterungseffekte aufgezeigt, die bei ähnlichen Speichern auftreten.<br />Ausgehend von Funktionen die ein Allgemeiner Energiespeicher hat, wird ein Batteriemodell abgeleitet und dieses mit einem Alterungsmodell erweitert. Da die zur Verfügung stehenden Alterungsdaten zyklenbasiert sind, berechnet das Modell die Alterung der Batterie indem es für jeden geleisteten Zyklus einen Alterungswert ermittelt und diesen zum aktuellen Alter addiert. Dieser Wert ist von der Stromstärke, dem Ladestand und der während des Zyklus transportierten Ladungsmenge abhängig. Einflüsse durch eine Temperaturerhöhung aufgrund des Betriebs der Batterie werden nicht simuliert. Unabhängig von der Belastung existiert eine Alterung, die linear von der Zeit abhängt und so die maximale Lebensdauer festlegt. Das Modell wird so ausgelegt, dass eine Änderung aller Parameter möglich ist. Die Simulation wird mit synthetischen Belastungsprofilen durchgeführt, um Aussagen über eine lebensdauerfreundliche Benutzung zu erhalten. Desweiteren wird die Auswirkung einer Überdimensionierung des Energiespeichers anhand dieses Modells behandelt. Es stellt sich heraus, dass sich eine Überdimensionierung des Energiespeichers überproportional auf die Lebensdauer und somit auf den maximal möglichen Energiedurchsatz auswirkt. Bei einem zu hohen Überdimensionierungsgrad sinkt der Zugewinn an Lebenszeit, da sich bei langen Lebenszeiten der Einfluss der belastungsunabhängigen Alterung stark auswirkt und die maximale Lebenszeit nicht überschritten werden kann.

Today more and more energy storage systems are used in combination with renewable energy systems to stabilize the energy production and in electric vehicles. In this connection the battery life is currently of great importance, since the production process of batteries is currently connected with very high costs.<br />This paper gives an overview of the existing storage technologies and covers the creation of an aging model for lithium ion batteries, which is implemented in MATLAB Simulink. With this model different aging-effects are shown. Based on the functions of a general energy storage system, a battery model is derived and is expanded with an aging model. Because the available aging data is based on cyclic measurements, the model calculates for each cycle a value which represents the aging of the battery during this cycle. This value depends on the current, the charge status and the amount of charge transported during the cycle. At the end of one cycle it is added to the existing age. Impacts depending on an increase in temperature based on the operation of the battery are not simulated. There is also an aging-process implemented which only depends on time, this one defines the maximum lifetime of the system.<br />The model designed so that a change of all parameters is possible.<br />Synthetic and real measured load profiles are applied to the model to find out what applications are lifetime-friendly. Furthermore, the model is used to find out if it is worth to oversize the battery. It turns out that using a battery which has a higher storage capacity than actually needed has an disproportionately positive impact on the lifetime and the maximum possible energy throughput per installed storage capacity. Because there is a maximum lifetime a too high amount of storage capacity lowers the maximum energy throughput per installed storage capacity.