Optimierung eines Schnellladeprofils von Lithium-Ionen-Batterien

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit werden mehrere Schnellladeprofile für Lithium-Ionen-Batterien optimiert. Ziel der Optimierung ist die Entwicklung eines Ladeprofils, das die Batterie mit minimaler Ladedauer von 0 auf 80 % SOC lädt. Gleichzeitig wird durch festgelegte Spannungsgrenzwerte Lithium-Plating und einer Batterieüberladung vorgebeugt. Die Optimierung erfolgt für eine Stufenladung (MSCC) und eine kontinuierliche Ladung (VC) sowohl für eine Hochleistungszelle (HP) als auch für eine Hochenergiezelle (HE). Mithilfe der Optimierung lässt sich eine Ladedauer von 13,52 min für die HP-Zelle realisieren. Die HE-Zelle erreicht eine minimale Ladedauer von 49,90 min. Basis der Optimierung bildet ein gekoppeltes Batteriemodell, das sich aus einem elektrochemischen, einem thermischen und einem SEI-Modell zusammensetzt. Auf diese Weise können die internen Batterieprozesse mit in die Ladeprofiloptimierung integriert werden. Neben der monokriteriellen Optimierung der Ladedauer werden zwei weitere Optimierungsverfahren untersucht: Die multikriterielle Optimierung und die Optimierung einer gewichteten Zielfunktion. Diese nutzen einen genetischen Optimierungsalgorithmus (GA) und eine deterministische, direkte Minimumssuche (DS), um mehrere Zielfunktionen gleichzeitig zu optimieren. Auf diese Weise ist es möglich zusätzlich zur Ladedauer auch die Batterietemperatur und den Kapazitätsverlust durch das SEI-Wachstum mit in die Ladeprofiloptimierung zu integrieren. Werden alle drei Faktoren gleichermaßen berücksichtigt, ergibt sich eine Ladedauer von 22,90 min. Ferner lässt sich die Beziehung zwischen den drei Zielgrößen anschaulich darstellen. Es zeigt sich, dass neben einer Erhöhung der Laderate auch eine Verlängerung der Ladezeit zur Vergrößerung der SEI-Schicht beiträgt. Die Höhe des Ladestroms bestimmt die Geschwindigkeit der SEI-Reaktion. Auf der anderen Seite hat die SEI bei langen Ladezeiten mehr Zeit sich aufzubauen. Experimentelle Validierungsmessungen der HP- und HE-Zellen, die mit den optimierten Ladeprofilen belastete wurden, zeigen, dass die Simulation eine realitätsnahe Vorhersage von Spannungs- und Oberflächentemperaturwerten ermöglicht. Die bei kleinen SOCs auftretenden Abweichungen der Spannungs- und Temperaturwerte können auf die vereinfachenden Annahmen, die im Zuge der Batteriemodellierung getroffen werden, zurückgeführt werden.