Degradationsuntersuchungen von Lithium-Ionen Batterien bei deren Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen (PDF)

Zur Abschätzung der Degradation von Lithium-Ionen Zellen sind neben den Kenntnissen über die theoretischen Alterungsmechanismen, die zu erwartenden Belastungsprofile in den unterschiedlichen Fahrzeugtypen (Elektro-, Hybridfahrzeug) von Bedeutung. Die Degradation einer Lithium-Ionen Batterie hängt dabei massgeblich von dem Ladezustandshub DoD (Death-of-Discharge), der Stromamplitude und der Zelltemperatur ab, wobei die Ausbildung der Solid-Electrolyte-Interface (SEI) als primärer Alterungsmechanismus verstanden werden kann. Um den Kapazitätsverlust und die Innenwiderstandserhöhung abschätzen zu können, wurde ein Alterungsmodell entwickelt, welches auf analytischen Gleichungen basiert. Diese wurden durch entsprechende Messreihen an Hochleistungszellen parametrisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Reihenfolge innerhalb einer zyklischen Belastungsphase (Fahrbetrieb) vernachlässigt werden kann. Die korrekte Reihenfolgebetrachtung zwischen zyklischer und kalendarischer Alterung (Standzeit) ist dagegen zwingend erforderlich. Zur Abschätzung der Degradation in einem Hybridfahrzeug dienten über mehrere Monate aufgezeichnete Messdaten aus Fahrzeugen mit unterschiedlichen Fahrprofilen. Für Elektrofahrzeuge wurde ein entsprechendes Berechnungsmodell aufgestellt, mit dem die elektrische Ausgangsleistung des Speichersystems bestimmt werden kann. Die ermittelten Belastungsprofile (Ladezustand, Batteriestrom, Batteriespannung, Temperatur) wurden mit den aus der Betriebsfestigkeitslehre bekannten Zählverfahren zur Bildung von Kollektiven aus Zeitfunktionen analysiert. Die Analogie zwischen Mechanik und Elektrodynamik lässt diese Übertragung zu. Die aus der Lastkollektivanalyse resultierenden Häufigkeitsverteilungen dienen als Eingangsgrösse für das Alterungsmodell. Über entsprechende Szenarienrechnungen können schlussendlich die Kapazitäts- und die Innenwiderstandsentwicklung abgeschätzt werden. Hohe Aussentemperaturen führen dazu, dass die Speichersysteme während der Standzeit im Rahmen der kalendarischen Alterung eine signifikante Widerstandserhöhung bei mässigem Kapazitätsverlust erfahren. Die zyklische Alterung während des Fahrbetriebs erzwingt dagegen einen stärkeren Kapazitätsverlust, wobei die Degradation massgeblich von der Speichertopologie und der Fahrzeugplattform abhängt.