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Originaltitel:
Reuse of Automotive Lithium-Ion Batteries: An Assessment from the Cell Aging Perspective
Übersetzter Titel:
Bewertung von Second-Life-Konzepten für Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterien aus Sicht der Zellalterung
Autor:
Schuster, Simon F.
Jahr:
2016
Dokumenttyp:
Dissertation
Fakultät/School:
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Betreuer:
Jossen, Andreas (Prof. Dr.)
Gutachter:
Jossen, Andreas (Prof. Dr.); Garche, Jürgen (Prof. Dr.)
Sprache:
en
Fachgebiet:
ERG Energietechnik, Energiewirtschaft
TU-Systematik:
ELT 972d
Kurzfassung:
The potential reuse of lithium-ion batteries, exhausted upon electric vehicle operation, is currently a broadly discussed topic. Regarding its implementation, aside from legal and logistic issues, there are also certain technological issues, which directly arise from the nature of lithium-ion cell aging. A profound understanding of the battery aging behavior is regarded, however, as a prerequisite to assess overall system costs and economic benefit of battery reuse.
The two technological core issues of potential battery reuse are the phenomenon of nonlinear aging (a sudden increase of the aging rate) and the continuous increase of the initial cell-to-cell parameter variation in multi-cell battery applications. In this work, the two effects are analyzed in detail, and solution approaches are provided, which are, aging dependent load adaption and usage of state of health quick tests.
The effect of nonlinear aging, which is generally observed at residual capacities of approx. 80%, can be delayed or even avoided by battery operation at the cell specific temperature optimum, with a limitation of the voltage swing and the charging rate. The effect of the operational prehistory appears as marginal (for cycled cells of the investigated model), which is why aging dependent load adaption, shortly before the occurrence of nonlinear aging, clearly prolongs as well the reachable second service life. Finally, nonlinear aging is considered to be well-controllable, e.g. by reducing the charging rate and/or the voltage swing. Though, its onset must not be missed under any circumstances, which in turn underlines the importance of the refinement of state of health detection methodologies.
The initial cell-to-cell variation, which results from deviations in the cell production process, is generally increased in multi-cell battery applications with the progress of aging due to external influences like drifts of the state of charge of cells or temperature gradients in the battery pack. Especially the latter might provoke a scale-up of cell-to-cell variation up to the module level, which is critical towards battery reuse implementation. As, consequently, only a share of battery modules, even from the same automotive battery, might be reusable, state of health quick tests are capable of reducing the measurement effort compared with common capacity measurement techniques. However, with regard to their limited precision, only a supporting role should be considered in the battery module pre-selection process, in which inappropriate ones are sorted out in advance. After all, to support the profitability of battery reuse concepts, reversible and easily detachable cell and/or module interconnection techniques should be favored, as reduced refurbishing costs clearly increase the residual value of aged automotive lithium-ion batteries.
Finally, with regard to the technological barriers which emerge directly from the nature of lithium-ion cell aging, battery second life scenarios are regarded as well implementable, especially if online state of health detection is refined; in contrast, legal and logistic issues (which are especially present due to the high number of involved actors) are considered to be the more challenging part. Here, the key is to revise present standards and norms, specifically with regard to battery reuse concepts and thus, creating legal certainty for an utterly new market.
Übersetzte Kurzfassung:
Die mögliche Weiterverwendung gealterter Batterien aus elektrischen Fahrzeugen in „Second-Life-Anwendungen“ wird derzeit häufig in der Öffentlichkeit diskutiert. Neben rechtlichen und logistischen Fragestellungen bestehen bei der Umsetzung aber insbesondere auch technische Probleme, die direkt aus dem Alterungsverhalten von Lithium-Ionen-Zellen hervorgehen. Dessen tiefgründiges Verständnis stellt aber eine Grundvoraussetzung dar, um den wirtschaftlichen Nutzen sowie die Gesamtsystemkosten beurteilen zu können.
Die zwei zentralen zellalterungsbedingten technischen Probleme bei der Umsetzung sind das Phänomen der nichtlinearen Alterung (ein sprunghafter Anstieg der Alterungsgeschwindigkeit) sowie der kontinuierlichen Zunahme einer bereits im Neuzustand vorhandenen Zellstreuung während des Betriebs in vielzelligen Batterieanwendungen. Diese zwei Kernthemen werden in der vorliegenden Arbeit umfassend analysiert und beurteilt. Daraufhin werden Lösungsansätze vorgeschlagen und zwar für ersteres Problem eine alterungsabhängige Anpassung der jeweiligen elektrischen Last sowie für letzteres Problem die Anwendung von so genannten Alterungsschnelltests.
Das Einsetzen der nichtlinearen Alterung, welches bei Restkapazitäten von ca. 80 % beobachtet wird, kann durch einen Betrieb mit einer Begrenzung der Laderate und des Spannungshubs bei einem zellspezifischen Temperaturoptimum verzögert oder gar vermieden werden. Der Einfluss der betrieblichen Vorgeschichte wird dabei als unbedeutend eingeschätzt (für zyklisierte Zellen des untersuchten Typs), da eine Lastanpassung (z.B. Reduktion der Laderate und/oder des Spannungshubs) erst kurz vor Einsetzen des nichtlinearen Alterungsverhaltens dennoch die erreichbare Betriebszeit im „Second-Life“ deutlich verlängert. Daher wird davon ausgegangen, dass das zugrunde liegende technische Problem kein Hemmnis darstellt, sofern dessen Eintreten mit hinreichender Genauigkeit vorhergesagt werden kann.
Die als Folge des Zellproduktionsprozesses anfänglich vorhandene Zellstreuung nimmt während des Betriebs in vielzelligen Batterieanwendungen mit dem Alterungsfortschritt aufgrund von externen Einflüssen (z.B. Auseinanderdriften von Zellladezuständen, Temperaturgradienten im Batteriepack) kontinuierlich zu. Insbesondere Temperaturgradienten im Batteriepack können dabei die Übertragung der Zellstreuung auf Modulebene bewirken. Diese ist als besonders kritisch zu erachten, da als Folge dessen lediglich ein Teil der Module selbst aus einer Fahrzeugbatterie für die mögliche Weiterverwendung geeignet sein könnte. Um diese schnellstmöglich und mit wenig Aufwand (verglichen mit der herkömmlichen Kapazitätsmessung) zu erkennen, werden Alterungsschnelltests vorgeschlagen. Aufgrund derer begrenzter Genauigkeit wird allerdings vorerst empfohlen, Alterungsschnelltests lediglich als zusätzlichen Schritt in der Modulvorauswahl heranzuziehen (Reduktion der Anzahl an zu vermessenden Batteriemodulen). Schließlich sollten reversible bzw. leicht lösbare Zell- und Modulverbindungstechniken (je nach Verschaltungstopologie) verwendet werden, da der Restwert gealterter Fahrzeugbatterien bei Verringerung der aufzubringenden Wiederaufbereitungskosten ansteigt.
Aus Sicht der zellalterungsbedingten technischen Probleme erscheint die Umsetzung von „Second-Life-Konzepten“ als gut durchführbar. Eine Beantwortung der rechtlichen sowie logistischen Fragestellungen erscheint, besonders in Anbetracht der hohen Anzahl an beteiligten Akteuren, allerdings als deutlich komplexer. Dabei wird insbesondere empfohlen, aktuell bestehende Standards und Normen mit Augenmerk auf Weiterverwendungsszenarien zu überprüfen, um so Rechtssicherheit für einen gänzlich neuen Markt zu schaffen.
WWW:
https://mediatum.ub.tum.de/?id=1311465
Eingereicht am:
29.06.2016
Mündliche Prüfung:
19.09.2016
Dateigröße:
43296305 bytes
Seiten:
147
Urn (Zitierfähige URL):
https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20160919-1311465-1-8
Letzte Änderung:
13.10.2016
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