– MOTIVATION-
Individual batteries have their own operational temperature ranges, which shall be respected to avoid both damaging of the cells and shortening of the cycle life. In terms of the Li-Ion cells, many of them do not function well above 60 °C. Therefore, a better understanding of the thermal behavior of the batteries has its significance during designing safe and robust battery packages for automotive applications.
-OBJECTIVE-
This study dedicates to analyze the thermal behavior of a 48 V high power battery module for automobile applications and seeks smart solutions for cooling purposes. In order to suppress self-discharge and control the capacity retention of the cells, it’s one of the primary goals to maintain the temperature of all cells not only below the maximal operational temperature, but also below app. 40 °C. The other objective of this study is to minimize the differences in cell temperature aiming at minimizing the differences of the cycle life of cells within the same battery module.
-APPROACH-
Simulative thermal analysis is employed in this study to gain knowledge of the heating of cells during operational conditions and study the cooling effect of different cooling principles. The study is carried out with following steps:
[1] Construction of the battery module in software environment of COMSOL Multiphysics. The construction of the cells and definition of the load profile are derived from the technical data of a suitable candidate for automotive applications. [2] Thermal analysis of the ground model, in which no cooling system is involved. [3] Employment and comparison of different internal cooling fin (ICF) concepts. [4] Employment of external water cooling systems on top of the ground model with one effective ICF concept. [5] Utilization of ICFs and external water cooling systems in a large and densely arranged 48 V battery module. [6] Combination of different cooling systems – ICF and external cooling systems (liquid and air) – to seek for smart solutions.-RESULT-
[1] The temperature distribution in the ground model is greatly uneven, which will lead to differences in cell cycle life within the same battery module in the long term and hence a shortened cycle life of the entire module. [2] By involving ICFs, the temperature of the cells stabilizes earlier in comparison to the ground model. [3] By employing one developed ICF concept, the ∆T between the hottest and coldest cell is successfully maintained below 3 K. The temperature of the hottest cell dropped to app. 40 °C at the stable state. [4] By involvement of external water cooling, the ∆T between the hottest and coldest cell is kept below 2 K and the temperature of the hottest cell dropped to below 37 °C at the stable stage. [5] The cooling effect of ICFs and external water cooling systems in the large and densely arranged 48 V battery module is not sufficient. [6] A smart solution – a combination of different cooling principles – is demonstrated in this study to maintain low operational temperatures for all cells and restrict ∆T between the hottest and coldest cell with in the module.-CONCLUSION-
Cooling systems for the battery module shall be considered as an indispensable component in high power battery systems for automotive applications. Combined cooling systems with different cooling principles shall be involved for large battery modules, in order to achieve a homogenous temperature distribution and ensure the function of all cells.
-ACKNOWLEDGEMENT-
The authors are thankful to the Ministry of Innovation, Science and Research of North Rhine-Westphalia for funding this study under the Project “ANFAHRT”.
Autor: M.Sc. Ziyi Wu
Co-Autor: Hans Kemper
Today a large variety of test standards and specifications are available in the field of safety validation of xEV batteries. Examples are not only well known standards as UN ECE R100, FMVSS 305 or GB/T 31484 & 31486, but also the underlying standards like IEC 62660-1/2/3 and ISO 12405-1/2/3. Additionally, new methods and tests develop from growing experience with this technology. This presentation will compare various test standards and validation processes, focusing on:
Autor: Dipl-Ing. (FH) Alexander Stadler, Project Management at TÜV SÜD Battery Testing GmbH, Garching, Germany
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BIOGRAPHY
Mr. Alexander Stadler is project manager at the TÜV SÜD Battery Testing GmbH in Garching in Germany. After graduating at Hochschule Karlsruhe he worked for several years at the European Research Organization CERN in Geneva, managing projects concerning the disposal and han-dling of dangerous goods. At TÜV SÜD he is the link between the laboratory and the customer for the whole testing cycle; starting from consulting concerning the applicable standards, through conducting the test series, up to project conclusion.
Moderne Kraftfahrzeugbordnetze zeichnen sich durch eine steigende Vielzahl von elektrischen / elektronischen Systemen zur Darstellung kundenwerter Funktionen aus. Neben der Anzahl der Systeme steigt deren Vernetzung und somit die Komplexität des Gesamtsystems erheblich. Mit der Einführung des kybernetischen Energie- und Leistungsmanagements im neuen BMW 7er wurde die systemische Strukturierung auf ein neues Niveau angehoben. Dieser Beitrag zeigt einen graphischen Ansatz zur Bewältigung der Strukturbeschreibung komplexer Systeme ausgehend von der kybernetischen Grundstruktur des kybernetischen Energie- und Leistungsmanagements. Die Koppelung der Systeme basiert auf drei Ordnungen. Dies sind die Energievernetzung, die Datenvernetzung und die Informationsvernetzung. Beispielhaft wird das kybernetische Modell des Energie- und Leistungsmanagements, aufbauend auf dem Viable System Model VSM von Stafford Beer, in einen Graphen transformiert. Es wird gezeigt, dass diese Graphen in unterschiedlicher Weise mit untereinander gekoppelt werden können. Die Koppelung der Graphen ermöglicht die Modellierung komplexer Systeme. Dabei ist diese Modellierung in ihrem Umfang nicht begrenzt. Zunächst wird das Grundmodell des Energie- und Leistungsmanagements in eine graphische Darstellung gewandelt. Anschließend werden die rekursive Anwendung des Grundmodells und dessen orthogonale Koppelung hergeleitet. In ähnlicher Weise erfolgt die graphische Darstellung der physikalischen Vernetzung und der Datenvernetzung. Die Umweltkoppelung stellt eine Erweiterung der orthogonalen Koppelung dar. Die Ordnungen lassen sich als Graphen vereinigen. Somit lassen sich die Ordnungen der Systemkoppelung als Gesamtgraph, vereinigt aus den Teilgraphen, darstellen. Die Sichtweise auf die hierarchische Ordnung des Gesamtsystems bietet das vorgeschlagene Layermodell. Die Kombination von graphischer Darstellung und dem Layermodell eröffnet die Grundlage für die Bildung von funktionalen Einheiten und Teilbordnetzen. Hierauf aufbauend werden die enthaltenen Wirkgefüge als kybernetische Feedbackstrukturen beispielhaft analysiert. Aus diesen Strukturen ergeben sich zusätzliche Eingriffsmöglichkeiten. Es erfolgt die Diskussion des entstandenen Modells unter den Gesichtspunkten des Systemdesigns und der Migration des graphisch modellierten Systems im Falle einer Änderung, Ergänzung oder im Kontext einer variablen Derivatsausprägung.
Autor: Dipl.Ing. Joachim Fröschl
Co-Autor: Prof. Dr.-Ing. Hans-Georg Herzog
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Zur Steigerung von Produktivität und Nachhaltigkeit bei der Feldbearbeitung wird eine autonome Landmaschine vorgestellt, welche über eine elektrische Leitung aus dem Energienetz gespeist wird. Die Energie wird durch speziell entwickelte Mittelspannungstechnik effizient auf das Fahrzeug übertragen. Zur Integration der elektrischen Leitung in den autonomen Arbeitsprozess wird eine Betriebsstrategie vorgestellt und erprobt. Hauptaugenmerk liegt auf der präzisen Positionierung der Leitung auf dem Feldboden durch Regelung der Leitungszugkraft bei einer Fahrgeschwindigkeit von 20 km/h. Auf Grund der Schwingfähigkeit des Systems wird ein Großteil der Dynamik durch Vorsteuerung der Trommeldrehzahl abgebildet um die Anforderungen an die Regelung zu senken. Außerdem ist eine Filterstruktur zur Unterdrückung der Eigenfrequenzen von Fahrzeug und Leitung bei der Messung der Zugkraft vorgesehen.
Autor: Dr.-Ing. Nicolai Tarasinski
Co-Autor: Julian Daubermann, M.Sc.
The most widely used simulations of lithium-ion batteries are based on simple circuit diagrams und characteristics. Such models are only valid in specific ranges under specific operating conditions. For this reason typical challenges like the exact determination of state of charge (SOC) or state of health (SOH) cannot be simulated with the required accuracy. However, in order to be able to calculate realistic vehicle ranges for electric cars it is essential for ECUs to provide exact SOC calculations with respect to the current SOH. Otherwise calculations must be based on worst case assumptions in which the SOC shown is typically worse than the real SOC. The more exact the SOC values are, the more reliable is the possible range displayed for an electric car. Fraunhofer IWES has been working on the exact modeling of batteries for over twenty years. They have knowledge of almost any type of battery. In the last few years, Fraunhofer IWES has developed an electrochemical model for lithium-ion battery cells, the ISET-LIB. This model allows the design and parametrization of batteries and extremely realistic simulation of battery properties, enabling the user to simulate the internal behavior of the battery. All relevant quantities like voltage, temperature, influences of the aging of batteries, and so on can be simulated. A speed-optimized version of the model is available for fast HiL simulations. Because of the high level of details offered by the ISET-LIB, it was not possible to simulate the exact battery cells in the microsecond range. With over 20 years of experience in battery HiL-Simulators, MicroNova has developed a new generation of battery simulation cards that bring the resolution of a battery model down to step times in the range of a few microseconds. In order to achieve this, a number of innovations have been introduced. On the hardware side, all control of the cell simulation card has been made fully digital. In addition, new high-speed, high-precision hardware has been introduced to control cell voltages. This hardware functionality is combined with the Fraunhofer ISET-LIB in an innovative way. The ISET-LIB calculates the long-term behavior of battery cells very precisely every few milliseconds. Additionally, it delivers substitute parameters for the battery (e.g. R,L,C). These parameters are periodically updated in the battery simulation cards that model the short-time behavior. Thanks to this innovative approach, it is possible to achieve the simulation of a high-precision electrochemical battery model with a simulation step width at the microsecond level. Even applications like the simulation of RLC parameters for EIS (electrochemical impedance spectroscopy) are possible with this approach. This new and innovative combination of high-speed HiL and realistic battery simulation for the first time allows the development and testing of future battery functions like EIS and a realistic determination of vehicle ranges.
Autor: Matthias Puchta
Co-Autoren: Franz Dengler, MicroNova AG; Dr. rer. nat. Michael Schwalm, Fraunhofer IWES;
Der Einsatz einer elektrischen Maschine auf 48 V Spannungslage im Antriebsstrang ermöglicht eine, verglichen mit Hochvolt-Systemen, kostengünstige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Diese Verbesserung kann durch Brems-Rekuperation in Verbindung mit der Ablastung des Verbrennungsmotors und der Elektrifizierung von üblicherweise verbrennungsmotorisch angetriebenen Nebenverbrauchern erzielt werden. Die elektrische Maschine ermöglicht darüber hinaus, Defizite im Ansprechverhalten eines Verbrennungsmotors zu kompensieren. Insbesondere hochaufgeladene Verbrennungsmotoren haben eine vergleichsweise niedrige Dynamik im Ladedruckaufbau und profitieren daher von der sofort verfügbaren elektrischen Unterstützung. Die 48 V Spannungslage ermöglicht den Einsatz eines leistungsfähigen, elektrisch angetriebenen Verdichters, der in Kombination mit einem Abgasturbolader den Ladedruckaufbau unabhängig vom Abgasmassenstrom signifikant verbessert. Der Systemaufbau gewährleistet vor allem bei verbrauchsgünstigen, niedrigen Motordrehzahlen eine hohe Dynamik des Momentenaufbaus. Die Kombination aus elektrisch angetriebenem Verdichter und einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang verbessern die Dynamik und die Fahrleistung eines Fahrzeugs deutlich und stellen einen erlebbaren Kundennutzen dar. Aufgrund einer notwendigen und effizienten Systemauslegung können unter bestimmten Voraussetzungen Systemgrenzen im Bordnetz erreicht werden. Die verfügbare Bordnetz-Leistung wird durch die 48 V Batterie als auch durch weitere Nebenverbraucher eingeschränkt. Die Leistungsverfügbarkeit ist während des Fahrzeugbetriebs nicht konstant, wobei in der Batterie die Zelltemperatur und das Batteriestromprofil über der Zeit die Haupteinflussfaktoren sind. Die Veröffentlichung zeigt Ansätze zur Optimierung der Leistungsverteilung mehrerer voneinander abhängiger 48 V-Komponenten in verschiedenen dynamischen Fahrmanövern auf. Dabei soll für variierende Leistungsverfügbarkeit des Bordnetzes ein fahrleistungsoptimaler Fahrzeugbetrieb gewährleistet werden. Zur Lösung dieses Optimierungsproblems werden statische, empirische Modelle verwendet. Die dynamischen Fahrmanöver, zur Identifikation der Modellparameter, werden automatisiert an einem Antriebsstrang-Prüfstand durchgeführt. Die Verwendung statischer Modelle wird dadurch möglich, dass die dynamischen Fahrmanöver mithilfe von Bewertungskriterien auf ein statisches Systemverhalten reduziert werden. Die Optimierungs-Ergebnisse werden in einem Versuchsfahrzeug auf der Teststrecke validiert.
Autor: Klaus Lüpkes
Co-Autors: Julien Pillas / Reiner Pätzold / Prof. Dr.-Ing. Bernard Bäker
In der Europäischen Union erfolgt eine kontinuierliche Entwicklung hin zu einer gemeinschaftlichen Energiestrategie, welche den drei Grundprinzipien der Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit unterliegt. Die Verwendung heutiger Kraftstoffe im Straßenverkehr entspricht dabei nicht diesem Gedanken. Die europäische Gesetzgebung fordert daher die Erhöhung der CO2-freien Energiebereitstellung. Bereits im Jahr 1995 veröffentlichte die Europäische Kommission ihre Strategie zur Minderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen und zur Senkung des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs. In weiterer Folge wurde eine CO2-Durchschnittsemission von 130 g/km, sowie eine weitere Verringerung um 10 g/km mittels zusätzlicher Maßnahmen ab dem Jahr 2012 festgelegt. Ab dem Jahr 2020 wird der Zielwert von 120 g/km auf 95 g/km herabgesetzt.
Zur Einbindung der leichten Nutzfahrzeuge in die Gesamtstrategie der Gemeinschaft wurde im Jahr 2011 eine CO2-Durchschnittsemission für leichte Nutzfahrzeuge beschlossen. Ab dem Jahr 2014 ist eine durchschnittliche CO2-Emission der neu zugelassenen leichten Nutzfahrzeugflotte von 175 g/km einzuhalten. Vorbehaltlich der Bestätigung der Durchführbarkeit durch die Europäische Kommission wird für das Jahr 2020 ein Zielwert von 147 g/km festgesetzt. Diese rechtlichen Rahmenbedingungen, welche zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Klimaauswirkungen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor führen, stellen wesentliche Innovationstreiber im automotiven Sektor dar. Insbesondere die ab dem Jahr 2020 angestrebten CO2-Durchschnittsemissionen liegen jedoch auf einem derart niedrigen Niveau, dass sie bei der vorliegenden Flottenzusammensetzung kaum mit konventionellen Antriebskonzepten (Verbrennungsmotor) realisiert werden können.
Elektromobilität wird hierbei vielfach als die Lösung zukünftiger Mobilität gesehen. Insbesondere Politik und Medien sehen in der Elektrifizierung des Individualverkehrs ein wirksames Mittel zur erforderlichen deutlichen Absenkung der Treibhausgasemissionen und zur Erhöhung der Energieeffizienz. Seit dem Jahr 2011 werden am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der Technischen Universität Wien neben der Erforschung und Entwicklung alternativer Antriebskonzepte auch umgesetzte batterieelektrische Kraftfahrzeuge mit und ohne Range- Extender, Plug-In Kraftfahrzeuge und Wasserstoffkraftfahrzeuge vermessen und analysiert. Dies mit dem Ziel die Potenziale dieser Antriebskonzepte hinsichtlich Nachhaltigkeit und Klimaschutz sowie Energieeffizienz und Kundenanforderungen zu beurteilen. Die Untersuchungen erfolgen dabei unter realitätsnahen Betriebsbedingungen. Dies betrifft insbesondere die Klimatisierung (Heizen/Kühlen) des Fahrzeuginnenraumes und das Geschwindigkeitsprofil.
Diese Arbeit fasst im Zuge der letzten Jahre entstandene Analyseergebnisse zusammen. Im Fokus der Untersuchungen stand die Bestimmung der Potenziale moderner PKW-Antriebskonzepte zur Senkung des Energiebedarfs und der Treibhausgasemissionen, ohne dabei die Kosten und Alltagstauglichkeit zu vernachlässigen. Je nach Elektrifizierungskonzept sind die Potenziale unterschiedlich groß und gegebenenfalls auch mit Nutzungseinschränkungen verbunden. Die Vor- und Nachteile von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen gegenüber einem modernen konventionellen Diesel-PKW wurden unter Berücksichtigung der sich im Jahresverlauf ändernden Anforderungen praktisch untersucht. Neben realen Betriebsbedingungen fand die Energiebereitstellung von Elektrizität und Dieselkraftstoff Berücksichtigung. Die Ermittlung der realisierbaren Reichweiten, des Energiebedarfs, der Energiekosten, der Wirkungsgrade der Hochvoltkomponenten, der Ladevorgang und der CO2-Emissionen standen dabei im Vordergrund. Da im Besonderen Plug-In-Hybride, aufgrund der hohen Batteriekosten und der teilweise stark eingeschränkten Reichweiten von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen, eine interessante Alternative darstellen, welche die Vorteile des elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebes verbinden sollen, wurden zur Bewertung der Auswirkungen der Elektrifizierung eines konventionellen Antriebskonzeptes mit Verbrennungsmotor vier Plug-In-Hybride im Hinblick auf deren Energieeffizienz, Energiebedarf, Wirkungsgrade der Hochvoltkomponenten, Ladevorgang, Treibhausgasemissionen, Zustartbedingung und elektrische Reichweite untersucht. Die Ermittlung der elektrischen Reichweite unter variierenden Umgebungsbedingungen, bei verschiedenen Fahrsituationen und bei wechselnden Batterieladezuständen war dabei eine der Kernfragen. Neben rein elektrischen und Plugin-Hybriden wurde auch das Konzept des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuges praktisch analysiert, sodass eine umfassende Betrachtung der Potentiale aller wesentlichen elektrifizierten PKW-Antriebe möglich wurde.
Autor: Dr. Werner Tober
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Zukünftige 12V-Bordnetze im PKW stellen höhere Anforderungen an die Batterie. Während in der Vergangenheit vor allem der Start des Verbrennungsmotors im Vordergrund stand, sind heutzutage bereits weitere Anforderungen an die Stabilität des Bordnetzes hinzugekommen. Schon für Start-Stop-Fahrzeuge, die seit Jahren in Europa, mit steigender Tendenz auch in anderen Teilen der Welt im Massenmarkt Einzug gehalten haben, sind die Anforderungen an die Batterie drastisch gestiegen, sodass neue, speziell in Bezug auf die Zyklenleistung verbesserte Batterien entwickelt worden sind. Zukünftige neue Anwendungen wie beispielsweise automatisiertes Fahren erfordern eine verlässliche Energieversorgung. Insbesondere die Diagnosefähigkeit von Batterien und die Fehlererkennung sind für diese Anwendungen von hoher Bedeutung, um eine sichere Funktion zu gewährleisten und Fehler verlässlich bereits in Voraus zu erkennen. Speziell beim automatisierten Fahren wäre ein Ausfall der Energieversorgung fatal, da nicht nur die zahlreichen Sensoren, sondern auch die gesamte Steuerungselektronik fehlerfrei und ohne Unterbrechung funktionieren muss, um die sichere Funktion des Gesamtfahrzeugs sicherzustellen und somit Unfälle zu vermeiden. Für zukünftige 12V-Bordnetze kommen generell verschiedene Batterietechnologien infrage, insbesondere die altbewährte, wenn auch verbesserte Bleibatterie und die verschiedenen Ausführungen von Lithium-Ionen-Batterien. Die Anforderungen an die Batterie sollen technologieunabhängig betrachtet und bewertet werden.
Autor: Dr. Jörn Albers
Co-Autoren: Dr. Christina Antonius, Ingo Koch
Electro-mobility plays an increasingly decisive role in urban public transportation. Public bus services in particular are in focus because bus fleets around the world currently consist almost exclusively of vehicles with combustion engines. Implementing alternative drive systems for buses will reduce pollution and improve the air in cities. New demands on the vehicle dynamics of buses arise due to the electric traction motors, energy converters and sys-tems for fast charging. Consider the possibility of driving torque applied in opposite directions for each rear wheel. This simple example is only possible for a configuration where an electric motor is applied to each wheel and non-exist in conventional vehicles. Due to the lack of experience in this area, extensive tests are necessary to ensure functional safety. This presentation will present the methodology as well as the results with which Bombardier ensured functional safety for an electric bus where test drives are supplemented by the use of simulation. The single components of the city bus are modelled as a complete mechatronic system. The validation of the model and model data via comparison with measured data constitutes the starting point of the investigation. Potential electrical and mechanical errors can be applied to the system at any point and their effects can be analysed. Via this approach, the test matrix can be greatly extended, e.g. by injection of incorrect error torques in the electric drive system. A systematic test procedure for different error patterns considering variation of driving situations, environmental conditions and vehicle parameters is thus possible. Through these variations and exploring critical vehicle conditions in safety (for example, driving on ice), the classic road tests at perfectly augment this stage. The overall process is supported by an automatic analysis of the results, which is imperative due to the high number of simulations, to provide a clear summary and to emphasize critical parameters for the developer. The results confirm the functional safety of the examined PRIMOVE city bus and the contribution shows how real driving tests are complemented by virtual driving tests.
Autor: Tobias Oeser
Co-Autors:
Rolf Müller (Bombardier Primove GmbH),
Christian Gnandt (TESIS DYNAware GmbH)