Schnellade-Strategien Für E-Fahrzeuge Optimieren

Die Erwartungen von Autofahrern, die an kurze Tankstopps bei Verbrennungsmotoren gewöhnt sind, können beim Umstieg zur Elektromobilität zu einigen Problemen führen, da die Ladezeiten bei Elektroautos noch deutlich länger sind. Im Bestreben, die weitreichende Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu fördern, werden verschiedene Ansätze verfolgt. Eine vielversprechende Strategie besteht darin, Materialstudien durchzuführen, um die Batterien weiter für schnelleres Laden zu optimieren. Hierbei liegt der Fokus darauf, die Auswirkungen unterschiedlicher Materialien auf das Schnellladen zu untersuchen und gleichzeitig die Energiedichte zu verbessern. Es ist jedoch zu beachten, dass einige Materialien auch einen signifikanten Einfluss auf die Batteriealterung haben können, was eine Herausforderung darstellt, die es zu bewältigen gilt.

Genau an dieser Stelle gewinnt der Einsatz von Simulation an Bedeutung. Sie ermöglicht es, Schnelllade-Strategien kostengünstig zu entwickeln und zu optimieren, indem man durch akkurate elektrochemische Simulationsmodelle näher an die Performancegrenzen der jeweiligen Zellen gehen kann. Durch Simulation können Entwickler das innere Verhalten der Batterie unter verschiedenen Bedingungen vorhersagen und so sicherstellen, dass das Schnellladen sowohl schnell als auch schonend für die Batterie erfolgt.

Nur unter optimalen Bedingungen kann die Batterie ihre Maximalleistung aufnehmen. Innerhalb des idealen Temperaturbereiches der Batterie sind sehr hohe Leistungen möglich, doch außerhalb dieses Bereichs nimmt sie drastisch ab.

Die Ladegeschwindigkeit hängt auch vom aktuellen Ladezustand der Batterie ab. Ist bereits viel Energie in der Batterie gespeichert, muss die Ladeleistung deutlich reduziert werden, um sicher zu stellen, dass keine übermäßige Alterung der Batterie auftritt. Zur effizienten Entwicklung einer schnellen Ladestrategie gehört also die Überlegung, wo der optimale Bereich liegt, und wie man die Batterie während des Ladevorgangs in diesem optimalen Fenster hält. Zusammenfassend kann man festhalten: Um die Lebensdauer der Batterie signifikant zu erhöhen, sollte eine optimale Ladestrategie gewählt werden um die Batterie möglichst ohne signifikante Alterungseffekte schnellladen zu können sowie, der Ladezustand immer zwischen ca. 30% und 80% gehalten werden.

Um die Batterie nahe an den Betriebsgrenzen zu laden, müssen viele elektrische und chemische Parameter berücksichtigt werden. Hier einige Beispiele:

• Maximale Leistung: Die maximale Leistung, die vom Stromnetz bereitgestellt wird.
• Maximale Spannung: Elektrolyte und Kathodenmaterialien zerfallen oberhalb der maximal zulässigen Spannung, dabei treten unumkehrbare Schäden treten auf.
• Maximaler Ladestrom: Jedes Ladegerät kann nur einen bestimmten maximalen Strom bereitstellen.
• Maximale Zelltemperatur: Das Zellmaterial degradiert oberhalb der maximal zulässigen Temperatur. Signifikante Alterung ist die Folge.
• Minimales Anodenpotential: Lithiumplattierung tritt bei Potentialen von weniger als 0V auf.

Grid Integration
 

Die Stromnetz-Infrastruktur stellt eine Beschränkung für den Ausbau der E-Mobilität dar. Dabei muss vorausschauend abgeschätzt werden, wann mit welcher Intensität geladen werden kann, um einerseits das Stromnetz nicht zu überlasten und andererseits dem Kunden eine möglichst geringe Ladezeit zu bieten. Mit Simulationslösungen wie AVL CRUISE™ M lassen sich Stromnetz-Simulationen durchführen. Ein Netz-Modell erlaubt es, das Netzverhalten zu simulieren, zu regeln und verschiedene Problemfälle zu testen. Beispielsweise wenn viele Autos gleichzeitig laden oder zu wenig Energie generiert wird. 

Alterungszustand der Zelle

Für die Ladestrategie spielt das Alter der Batteriezelle eine wichtige Rolle. Während neue Zellen höhere Leistungen aufnehmen und abgeben können, müssen ältere Zellen geschont werden, um den sicheren Betrieb des Batteriesystems zu garantieren. Entwickler sind mit dem Balanceakt konfrontiert, Alterungszustände in der Strategie zu berücksichtigen und gleichzeitig trotzdem die maximal mögliche Performance der Batterie abzurufen. 

Dabei ist es entscheidend die Strategie für die alternde Zelle graduell anzupassen und entsprechend Rücksicht auf den Alterungszustand der Batterie zu nehmen. Die Batterie gibt dabei die Information über ihren Alterungszustand an die Ladestation weiter, wodurch die Ladeleistung immer dem Alterungszustand entsprechend angepasst wird. 
 

Im Vergleich zum Prüfstand bietet die Simulation von elektrochemischen Modellen einen einzigartigen Einblick in die inneren Zustände der Batteriezelle, die ansonsten verborgen bleiben. Diese Modelle liefern wichtige Informationen über teils nicht messbare Zellparameter wie das Anodenpotenzial, das eine entscheidende Rolle für die Auswahl einer sicheren Schnellladestrategie spielt. Mit diesen Informationen ist es Entwicklern möglich, an die Grenzen der Zelle gehen, ohne die Zelle zu beschädigen, da das Anodenpotenzial eng mit Alterungsprozesse an der Anode zusammenhängt.

Ein zu geringes Anodenpotenzial führt zu einer starken, nicht reversiblen Alterung (Lithium Plating) der Anode der Batterie. Durch die Simulation einer validierten elektrochemischen Zelle können Ladestrategien optimiert werden, um die maximale Leistung der Batterie zu nutzen, ohne das Anodenpotenzial zu stark zu senken oder thermische Grenzen zu überschreiten. Hauptfaktoren für die Berücksichtigung sind dabei die Ladekurven und wie sie im Batteriemanagementsystem hinterlegt sind, um eine schnelle Ladung zu ermöglichen, ohne die Batterie übermäßig zu belasten.

CRUISE M bietet sich für die Optimierung der Ladestrategie an, da sehr viele Varianten in sehr kurzer Zeit simuliert werden können, um somit schnell und effizient zur richtigen Ladestrategie zu kommen. Die Verwendung von Halbzellenmessungen als Grundlage für Modelle, in Kombination mit Materialstudien und Impedanzmessungen, ermöglicht es, ein validiertes Zellmodell und somit auch das Anodenpotenzial mithilfe der Modellgleichungen herauszurechnen. Dieser Ansatz bietet eine präzise Methode, um die Auswirkungen der Ladestrategie auf die Batteriealterung zu verstehen und zu minimieren.