Bidirectional Charging Systems and Battery Lifetime Modeling for Vehicle-to-Grid Applications

Um den menschengemachten Klimawandel zu begrenzen, werden dringend kurzfristig umsetzbare Lösungen gesucht, welche die Transformation zu einer emissionsarmen Zukunft ermöglichen. Im Zuge des weltweiten Ausbaus der erneuerbaren Energien und der Elektrifizierung des Verkehrssektors wird die Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebs der Stromnetze eine zunehmende Herausforderung. Dies liegt nicht zuletzt an den erhöhten Anforderungen, die sich aus der volatileren Stromerzeugung und dem steigenden Stromverbrauch durch die Elektromobilität ergeben.
Das intelligente, bidirektionale Laden von Elektrofahrzeugen (Vehicle-to-Grid, V2G) kann einen essenziellen Beitrag dazu leisten, sowohl den Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix zu erhöhen als auch Mobilitätsbedürfnisse emissionsarm zu erfüllen. ... mehrObwohl diese Idee bereits wohlbekannt ist, stehen der Umsetzung noch immer viele Hürden im Weg. Dazu zählen höhere Kosten für bidirektionale Ladegeräte und Bedenken hinsichtlich einer potenziell schnelleren Batteriealterung.

In dieser Thesis stelle ich Lösungsansätze für diese Probleme und Erkenntnisse zu den Ungewissheiten vor, welche die Nutzung des Potenzials von V2G beschleunigen und verbessern können. Zum einen wurde hocheffiziente Leistungselektronik für ein V2G Ladesystem entwickelt und charakterisiert. Aus der Literatur bekannte Ansteuerungsverfahren für die verwendeten weich schaltenden Topologien wurden für den Betrieb mit Siliciumcarbid Halbleitern angepasst, um in breiten Betriebsbereichen hohe Effizienzen von mehr als 96 % zu erzielen und die Schaltfrequenz zu steigern. Dadurch kann eine Reduktion von Kosten, Gewicht und Bauraum erreicht werden.
Zum anderen wurden netzdienliche Regelverfahren hergeleitet, in der Hardware implementiert und validiert, welche den robusten Betrieb eines regenerativen Energiesystems unterstützen und dadurch höhere Einnahmen erzielen können. Dazu gehören eine Spannungs- und Frequenzregelung, die dynamische Stabilisierung der Netzfrequenz durch Nachbildung einer elektronisch geregelten virtuellen Schwungmasse sowie die Reduktion der Phasenasymmetrie im Stromnetz.
Außerdem wurde einer der bisher umfangreichsten frei verfügbaren Batteriealterungsdatensätze generiert und publiziert [J1], [R1]. Dieser umfasst Kapazitäts- und Impedanz-Messdaten von 228 Rundzellen, welche etwa 450 Tage mit 76 verschiedenen Testbedingungen betrieben wurden. Auf Grundlage dieses Datensatzes wurde ein gut wiederverwendbares Batteriealterungsmodell hergeleitet. Mithilfe des Modells wurden verschiedene V2G Ladestrategien untersucht, welche die Batteriealterung im Vergleich zum konventionellen Laden sogar reduzieren können.

Addressing anthropogenic climate change requires solutions for a transformation to a low-emission future that can be implemented in the short term. As the world progresses toward the expansion of renewable energy sources (RES) and the electrification of the transportation sector, ensuring reliable operation of electricity grids becomes a significant challenge. This is not least because of the growing requirements resulting from increasingly volatile electricity generation and rising electricity consumption due to electromobility.
The intelligent, bidirectional charging of electric vehicles (Vehicle-to-Grid, V2G) can contribute substantially to both increasing the share of RES in the electricity mix and satisfying mobility needs with low emissions. ... mehrAlthough this idea is already well known, its implementation still faces many obstacles. Among these are higher costs for bidirectional chargers and concerns regarding potentially faster battery aging.

In this thesis, I propose solutions to these problems and insights into the uncertainties that can accelerate and improve the exploitation of the potential of V2G.
Firstly, highly efficient power electronics for a V2G charging system were developed and characterized. Control methods for soft switching topologies known from the literature were adapted for the operation with silicon carbide semiconductors to achieve high efficiencies of more than 96% in wide operating ranges and to increase the switching frequency. As a result, the cost, weight, and size can be reduced.
On the other hand, grid-supporting control methods were derived, implemented in the hardware, and validated, which support the robust operation of a regenerative energy system and can thus generate higher revenues. This includes voltage and frequency control, dynamic stabilization of the grid frequency by emulating an electronically controlled virtual inertia, and the reduction of phase unbalance in the electricity grid.
Moreover, one of the most comprehensive freely available battery aging datasets to date was generated and published [J1], [R1]. It includes capacity and impedance measurement data from 228 cylindrical cells operated for approximately 450 days under 76 different test conditions. A well-reusable battery aging model was derived from this dataset. The model was employed to analyze various V2G charging strategies, which can even reduce battery degradation compared to conventional charging.