Li-Ionen Batterien
Lithium-Batterien unterscheiden sich in ihrem Verhalten von Bleisäure-Batterien und werden mit einem eigenen Modell simuliert. Dabei liegt der Fokus auf der Abbildung des typischen Spannungsverhaltens der wichtigsten Aktivmaterialien für Lithium-Batterien in Batteriespeichersystemen.
Funktionsweise des Simulationsmodells
Die Problematik der Parametrierung für beliebige Lithium-Batterietypen verhält sich ähnlich wie bei Blei-Säure-Batterien. Zusätzlich besteht die Problematik der aktivmaterialabhängigen Spannungsniveaus. Diese variieren bei Lithium-Batterien zwischen 1,5…4,25 Volt. In Abbildung 1 sind eine Reihe von Spannungsniveaus dargestellt.
Abbildung 1: Spannungsniveaus und -verläufe von Lithium-Zellen verschiedener Aktivmaterialien im Entladefall
Das Simulationsmodell für Lithium-Batterien wurde anhand von Entladekurvendiagrammen aus Hersteller-Datenblättern entwickelt, bei denen die Spannung über der Kapazität für unterschiedliche Entladeströme aufgetragen ist. So kann die aktivmaterial- und zellabhängige Spannung berücksichtigt werden. Als Beispiel ist in Abbildung 2 die typische Entladekurvenschar einer Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle dargestellt.
Abbildung 2: Stromabhängige Entladekurvenschar einer Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle mit variierenden Entladeströmen
Die Datenpunkte dieser Entladekurvenscharen werden den Herstellerdatenblättern entnommen. Anschließend werden mit Hilfe der Ausgleichsrechnung Näherungsfunktionen an die Entladekurven angepasst. Die resultierenden Spannungen bei beliebigen Strömen werden interpoliert.
Die Funktionen des Modells lassen sich zusammenfassen:
- Die Spannungen werden zellabhängig abgebildet (Aktivmaterial- und Ladezustandsabhängig, Unterschied Entladen und Laden, Innenwiderstand)
- Selbstentladung wird berücksichtigt
- Die normative Zyklenbelastung und Lebensdauer geht in die Simulation ein
- Der Peukert-Exponent wird den Entladekurven entsprechend berücksichtigt
Entladen
Für das Entladen wird das hinterlegte Kennlinienfeld genutzt. Lithium-Batterien zeigen bei der Entladung mit konstantem Strom die Charakteristik aus Abbildung 4. Je höher dabei der Entladestrom ist, desto stärker der Spannungsabfall. In Abbildung 3 ist der Spannungsverlauf bei variierender Stromentnahme aufgetragen.
Abbildung 3: Spannungsverlauf Entladefall (Spannung über Kapazität) mit variierender Stromentnahme
Soll das Entladen mit konstanter Leistung erfolgen, muss der Entladestrom iterativ angenähert werden, um über das Integral der Spannungsänderung und dem Strom die gewünschte Leistung während des Zeitschrittes zu erhalten.
Weiterhin zu beachten ist die durch die maximale Entladetiefe gegebene Entladeschlussspannung. Zur Schonung der Lithium-Batterien sollten diese nicht vollständig entladen werden. Da sich die der Batterie entnehmbare Gesamtkapazität mit dem Entladestrom ändert, ist auch die Entladeschlussspannung vom Strom abhängig, wie aus Abbildung 4 und Abbildung 5 hervorgeht.
Laden
Das Laden der Batterie erfolgt nach den Einstellungen der Ladestrategie des Batteriesystems.
Siehe auch