Projekt

Zusammenfassung

Das Energiespeichersystem in elektrischen oder Plug-In-Hybridfahrzeugen stellt heutzutage das schwächste Glied im gesamten Antriebssystem eines Fahrzeuges dar mit den Nachteilen der Kosten, der begrenzten Reichweite, der langen Ladezeit usw. Deshalb besteht heute die größte Herausforderung für die Automobilindustrie in der Entwicklung von eingebetteten Energiespeichersystemen. Innovative Lösungen müssen die Fahrzeugleistung in Bezug auf Batterielebensdauer und Systemgröße verbessern, mit anderen Worten: Die Gesamtbetriebskosten reduzieren. Hierbei wird als ein vielversprechender Ansatz in der Automobilindustrie und der diesbezüglichen Forschungslandschaft die Hybridisierung der Energiespeicher vorgeschlagen. Insbesondere ist der Einsatz zweier komplementärer Speichertechnologien zu nennen, oder genauer, auf der einen Seite Technologien mit hoher Energiedichte als Hauptquelle und auf der anderen Seite Speicher mit hoher Leistungsdichte. Diese Hybridisierung gibt die Möglichkeit, die Vorteile beider Speichersysteme auszunutzen und bietet zudem einen weiteren Freiheitsgrad in Bezug auf die Auslegung der Speichergrößen.

Kontext und Themen

Könnten die aktuellen Batterietechnologien der Fahrzeuge die hierzu beiden notwendigen Ziele nicht erreichen, einerseits eine gute Reichweite und auf der anderen Seite die Bereitstellung der erforderlichen Leistungscharakteristik eines elektrischen Fahrzeugs (z.B. Beschleunigungs- und Ladeanforderungen oder Batterielebensdauer). Eine mögliche Lösung dieser Problematik stellt der kombinierte Einsatz von Batterien und Medien hoher Leistungsdichte wie Superkondensatoren dar. Das zugrunde liegende Hauptziel dieser Lösung ist es, ein in das Fahrzeug eingebettetes Gesamtsystem mit verbesserten Charakteristiken in Bezug auf Batterielebensdauer, Effizienz und Leistungsdichte sowie einer optimierten Dimensionierung bereitzustellen. Bezüglich HESS sichert die Wahl eines gut ausgelegten EMS die ganzheitliche Effizienz des Antriebsstrangs, wofür eine Auslegung bzw. Parametrisierung der Lade-/ Entladevorgänge und eine Betrachtung der Komponenten im gesamten Energiespeichersystem notwendig ist.

Projektziele, die Lösungsansätze zur identifizierten Problemstellung bieten

Das EF-Energiespeichersystem ist das schwächste Glied in der Kette für die Entwicklung eines Energiespeichersystems und die weite Verbreitung von EFs. Das Projektshauptziel ist die Optimierung der TCO eines EF durch Verbesserung der Batterielebensdauer und den Einsatz einer fortschrittlichen synchronen Reluktanzmaschine. Dieses Projekt zielt darauf ab, den Wissenstransfer, die Vernetzung und die Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und Hochschulen zu stärken.Basierend auf dieser Idee lauten die konkreten Ziele wie folgt:

Die optimale technische Kombination aus Batterie und Elektromaschine finden, sodass EF eine höhere Akzeptanz beim Kunden erreichen.
Evaluierung des Einflusses der Energiemanagement-Strategien auf Dimensionierung und Lebensdauer eines HESS.
Entwicklung von intelligenten Energiemanagement-Strategien, die auf prädiktiven Algorithmen basieren und für die Vorhersage der Batterielebensdauer geeignet sind.
Auswahl und Konzeption eines kompakten Leistungswandlers für HESS bestehend aus Li-Ion-Batterien und Superkondensatoren.
Entwicklung einer optimalen Regelung für synchrone Reluktanzmaschinen , um den Einfluss von Stromoberschwingungen auf die Lebensdauer der Batterie zu minimieren.
Aufbau eines leichten und skalierbaren Testaufbaus für einen elektrischen Antriebsstrang basierend auf einem hybriden Batterie/Superkondensator-Speicheransatz und einer synchronen Reluktanzmaschine.
Entwicklung eines ganzheitlichen modellbasierten Energiemanagements und einer Lebensdauerprognose für Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Kombination mit Superkondensatoren.
Verfeinerung und Validierung des entwickelten Batteriemodells durch programmierte Zyklen- und Impedanztests in Kombination mit anderen in situ Methoden.
Entwicklung von speziellen Testgeräten für die fortschrittliche In-situ-Batteriediagnose zur Zellalterung.
Lebensdauervorhersage von Li-Ionen Batterien und deren Vergleich bei einer hybriden und singulären Verwendung.

Vorgeschlagenes System

Die vorgeschlagene Lösung basiert auf der Verwendung eines HESS und kombiniert die Stärken zweier komplementärer Technologien in Form von spezifischen Energie- und Leistungsdichtentechnologien gemäß Abbildung unten. Das Speichersystem besteht dabei aus Li-Ionen-Batterien und Superkondensatoren. Ein bidirektionaler DC/DC Leistungswandler ist weiter notwendig auf Seiten des Superkondensators, um die Leistungsverteilung zu sichern sowie einen sinnvollen Betrieb der synchronen Reluktanzmaschine für den Antriebsstrang zu gewährleisten. Letztere ist in der Regel zudem mit einem DC/AC-Wandler gekoppelt.

Identifizierung

Projektlaufzeit

Projektkonsortium

Das Konsortium besteht aus den drei Hauptforschungseinrichtungen (INSA Strasbourg, Hochschule Karlsruhe und Hochschule Trier) und drei assoziierten Partnern (Centrale Lille, Université de Nantes und der Sheffield Hallam University) mit jeweils ergänzender Expertise. Die CCI wird die Verbreitung des Projekts VEHICLE an KMUs-KMIs in Frankreich und am Oberrhein durch ihre Nähe zu Unternehmen in Baden-Württemberg in Deutschland unterstützen. In Rheinland-Pfalz wird der Commercial Vehicle Cluster – Nutzfahrzeuge GmbH (CVC-Südwest, Kaiserslautern) als assoziierter Partner eine Mittlerrolle zu seinen Mitgliedern aus der Fahrzeugindustrie übernehmen.