Netzintegration von Fahrzeugen mit elektrifizierten ... - JUWEL

5.5 Änderung der Batterielebensdauer aufgrund unterschiedlicher Fahrzeugnutzungsszenarien
Für die Lithium-Ionen-Technologie wird in Tabelle 14 eine grobe Entwicklung auf Materialebene
dargestellt. Die Informationen dazu stammen aus den bereits beschriebenen Roadmaps,
aus [Scrosati & Garche, 2010] sowie aus internem Know-how des ZSW.
Zeitachse 2010 > 2030
Positive
Elektrode
Negative
Elektrode
Elektrolyt
Metall-Oxide:
Spinelle
(LiMn 2O 4, NMO)
Olivine (LiFePO 4)
Schichtstrukturen
(NMC)
Graphite
Organisch, flüssig
(LiPF 6-EC/DC)
4–5 V:
Neue Metall-Oxide (Olivine:
LiMnPO 4, LiCoPO 4)
Höhere Kapazität:
Mischkristallstrukturen
Höhere Kapazität:
Modifizierte Graphite
(Coated)
Nanocomposites (Sn-C)
Sicherheit:
Titanbasiert (TiO 2, Li-Titanat)
Hochvoltelektrolyte:
Polymer-Elektrolyte
Gelelektrolyte
4–5 V und höhere
Kapazität:
z.B. LiMPO 4F
Silicatsysteme
Li 2MSiO 4
Höhere Kapazität:
Metall-Legierungen
(Li-Si, Li-Sn)
Höhere Verfügbarkeit:
Lithium-Organyle
Hochvoltelektrolyte:
Ionische Flüssigkeiten
Technologiesprung
durch innovative
Batteriesysteme:
Metall/Luft
(Li, Zn, Al …)
Metall/Schwefel
(Li, …)
Tabelle 14: Übersicht über die erwarteten Entwicklungen der Elektrodenmaterialien
und des Elektrolyten bis hin zu einem Technologiesprung.
5.5.2 Beschreibung des Batteriemodells und Ergebnisse für
Szenariensimulationen im Jahre 2020
Die Simulation von Szenarien ist eine Möglichkeit, die Auswirkungen verschiedener Fahrprofile,
Ladestrategien und Netzdienste auf die Lebensdauer der Traktionsbatterien von
elektrifizierten Fahrzeugen zu untersuchen. In dieser Untersuchung liegt der Fokus auf dem
in Tabelle 6 definierten Kompaktklasse-BEV. In den Szenarien werden Netzdienste berücksichtigt,
welche im realen Einsatz nicht vor 2020 erwartet werden. Daher beginnen die Szenarien
zu diesem Zeitpunkt. Der elektrische Speicher hat einen Energieinhalt von 21 kWh.
Einige Eigenschaften des energieflussbasierten Batteriemodells, wie Energiedichte und Lebensdauer,
werden auf Basis der aggregierten Batterie-Roadmap 2020+ aus Abschnitt 5.5.1
an die zukünftigen Verhältnisse angepasst. Das ermöglicht eine Berechnung der Lebensdauer
für die unterschiedlichen Szenarien.
Im Folgenden werden das verwendete Batteriemodell und die Eckdaten der modellierten
Batterie vorgestellt, bevor auf die Modellierung des Alterungsverhaltens eingegangen wird.
Abschließend folgt eine Übersicht über die simulierten Szenarien und die Diskussion der
Simulationsergebnisse für die belastungsbedingten Änderungen der Batterielebensdauer.
5.5.2.1 Energieflussmodell Lithium-Ionen-Batterie
Unterschiedliche Ansätze zur Implementierung von dynamischen Batteriemodellen werden in
Abschnitt 5.3.3 erwähnt. Die Modellierung einer Batterie, wie sie laut der aggregierten
Roadmap in Abschnitt 5.5.1 im Jahre 2020 vermutlich existieren wird, ist nur auf einer abstrakteren
Ebene mit Hilfe von Vereinfachungen möglich. Es wird angenommen, dass sich
alle Zellen in der simulierten Batterie identisch verhalten. Außerdem werden die thermischen
Wechselwirkungen zwischen den Zellen und dem Kühlsystem vernachlässigt. Damit ergibt
Seite 97