Passiv gekoppelte Lithium-Ionen-Superkondensatorsysteme für 48V Hybridfahrzeuge

Hybridelektrische Fahrzeuge mit einer Bordspannung von 48 V sind eine kostengünstige und effektive Möglichkeit zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Automobilen. Der elektrische Antriebsstrang muss dabei in der Lage sein, den mannigfaltigen Aufgaben, wie Rekuperation, Boosten und elektrisches Fahren, eines 48 V Hybriden begegnen zu können. Aus diesem Aufgabenspektrum können sich die notwendigen Charakteristika an den Energiespeicher des elektrischen Antriebsstranges für heutige und zukünftige Generationen von 48 V Hybriden ableiten lassen. Heutige Generationen von 48 V Hybriden zeichnen sich durch kurzzeitig hohe Lastspitzen von bis zu 11 kW in Lade- und Entladerichtung aus. ... mehrZukünftige Generationen von 48 V Hybriden sollen in der Lage sein, elektrisches Fahren innerhalb von Städten zu ermöglichen, wofür Leistungen von mindestens 25 kW sowie eine ausreichende Energie benötigt werden.
Energiespeicher wie Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien werden bereits in vielen mobilen Anwendungen eingesetzt und weisen entweder eine hohe Energie- oder hohe Leistungsdichte auf. Weder Superkondensatoren noch Lithium-Ionen-Batterien sind in der Lage, über alle 48 V Hybrid-Generationen hinweg die notwendige Energie- und Leistungsdichte sowie Zyklenlebensdauer ohne Überdimensionierung zu erfüllen.
Eine Möglichkeit diesem Problem zu begegnen, ist die Hybridisierung einer Hochenergie- und einer Hochleistungstechnologie zu einem System. Ein spezieller Fall, welcher in dieser Arbeit maßgeblich untersucht wird, ist die Hybridisierung in Form eines passiven Hybridsystems. Hierbei werden zwei Energiespeicher direkt ohne Nutzung von Leistungselektronik gekoppelt. Vorteile, die sich daraus ergeben, sind die geringere Komplexität und eine höhere Kompaktheit durch die fehlende Leistungselektronik. Nachteil sind jedoch die ungeregelten Lastflüsse zwischen den Energiespeichern, welche zur Überlastung und zum Ausfall der einzelnen Systemkomponenten führen können und daher ein hohes Systemverständnis erfordern. Faktoren, welche die Energie- und Leistungsdichte eines passiven Hybridsystems beeinflussen, sind die Dynamik des Lastprofils und die Zusammensetzung des Hybridsystems bezogen auf die verwendeten Anteile an Hochenergie- und Hochleistungstechnologie.
Aufbauend auf den Erkenntnissen der Literatur werden weitere Faktoren aufgezeigt, welche die Eigenschaften des passiven Hybridsystems beeinflussen. Hierfür wurden Hybridsysteme, basierend auf verschiedenen Superkondensator- und Lithium-Ionen-Technologien, auf Zell- und 48 V Systemebene experimentell untersucht. Des Weiteren ist eine Methode zur Auslegung von passiven Hybridsystemen entwickelt und am Beispiel von zwei 48 V Hybrid Szenarien angewandt worden. Das Betriebs- und das Degradationsverhalten von passiven Hybridsystemen wurden mit einem validierten Modell bestimmt und dem von Lithium-Ionen-Batterien gegenübergestellt. Diese Arbeit leistet damit einen Beitrag zu einer ganzheitlichen Betrachtung von passiven Hybridsystemen ausgehend von den Grundlagen und Funktionsweisen bis hin zur Auslegung und anwendungsorientierten Untersuchung am Beispiel von 48 V Hybriden.

Hybrid electric vehicles with an on-board voltage of 48 V are a cost-efficient and effective way of reducing CO2 emissions from automobiles. The electric drive train must be able to cope with the various tasks of a 48 V hybrid, such as recuperation, boosting and electric driving. From this spectrum of tasks, the necessary characteristics of the energy storage for present and future generations of 48 V hybrids can be derived. Today's generations of 48 V hybrids are characterized by short-term high load peaks of up to 11 kW in charging and discharging direction. Future generations of 48 V hybrids should be able to drive electrically within cities, requiring at least 25 kW of power and sufficient energy from the energy storage system. ... mehr
Energy storage devices such as supercapacitors and lithium-ion batteries are already used in many mobile applications and have either a high energy or high power density. Neither supercapacitors nor lithium-ion batteries are capable of meeting the required energy and power density and cycle life without oversizing across all 48 V hybrid generations.
One way of tackling this problem is to hybridize high-energy and high-performance technology into a single system. A special case, which will be investigated significantly in this thesis, is the hybridization in the form of a passive hybrid system. Here, two energy storage devices are coupled directly without the use of power electronics. The resulting advantages are lower complexity and greater compactness due to the lack of power electronics. Disadvantage however are the unregulated load flows between the energy storage devices, which can lead to overloading and failure of the individual system components and therefore require a high level of system understanding. Factors influencing the energy and power density of a passive hybrid system are the dynamics of the load profile and the composition of the hybrid system in relation to the used proportion of high-energy and high-performance technology.
Based on the findings of the literature, further factors are shown which influence the properties of the passive hybrid system. For this purpose, hybrid systems based on various supercapacitor and lithium-ion technologies were experimentally investigated at cell and 48 V system level. Furthermore, a method for the design of passive hybrid systems has been developed and carried out using two 48 V hybrid scenarios as an example. The operating and degradation behavior of passive hybrid systems were determined using a validated model and compared with that of lithium-ion batteries. This work thus contributes to a holistic view of passive hybrid systems starting from the basics and functionalities up to the design and application-oriented investigation using the example of 48 V hybrids.