Ladezustands- und Alterungsschätzung für Energiespeicher im Kraftfahrzeug

In den letzten Jahren hat die Elektromobilität eine immer größere Bedeutung für die globale Automobilindustrie eingenommen. Für die Kundenakzeptanz ist es wichtig, die verbleibende Reichweite während der Fahrt zuverlässig vorherzusagen. Hierfür sind der aktuelle Lade- und Alterungszustand des Energiespeichers notwendig. Beide Größen lassen sich jedoch nicht direkt messen und müssen stattdessen durch Schätzverfahren im laufenden Betrieb bestimmt werden. Derzeit angewendete Verfahren basieren auf stark vereinfachten Modellen der Energiespeicher, die insbesondere Alterungseffekte nicht adäquat abbilden und im Laufe der Lebensdauer zunehmend Schätzfehler verursachen.

In dieser Arbeit werden Messsysteme und Untersuchungsverfahren vorgestellt, mit denen Modelle des elektrischen Verhaltens von Li-Ionen-Zellen während der Durchführung von Alterungsuntersuchungen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen bestimmt werden können. Die Entwicklung eines 600A-Testsystems für Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Bandbreite und Messgenauigkeit wird vorgestellt, welches in einem Testzentrum mit mehr als 100 Einzelmessplätzen zur Anwendung kommt. Optimierte Auswerteverfahren ermöglichen die Erstellung eines mathematischen Zellmodells, welches unter realistischen Betriebsbedingungen im Kfz und für die gesamte Lebensdauer gültig ist.

Auf dem Modell aufbauend wird die Entwicklung optimierter Schätzverfahren für die Bestimmung von Lade- und Alterungszustand von Lithium-Ionen Zellen vorgestellt, die hinsichtlich Messanforderungen, Robustheit und Rechenbedarf für eine Echtzeitanwendung in Kraftfahrzeugen geeignet sind. Durch eine Verifikation mit dynamischen, realitätsnahen Belastungsprofilen wird die Leistungsfähigkeit der Verfahren über der gesamten Lebensdauer des Energiespeichers demonstriert.