Dr.-Vorträge Dezember 2023

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Dienstag, 19. Dezember 2023
08:30 Uhr, Jan Figgener, M.Sc.
„Datengetriebene Batteriealterungsanalyse von Heimspeichern basierend auf hochaufgelösten Feldmessungen“ (Vortragssprache: Deutsch)

Batteriespeicher sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Im Heimspeichermarkt, dem größten stationären Speichermarkt in Deutschland, haben sich Garantiezeiten von etwa zehn Jahren etabliert. Es ist jedoch bisher unbekannt, ob diese Garantien aufrechterhalten werden können und die Europäische Union fordert verlässliche Informationen über den Alterungszustand von Batterien.
Im Labor sind die Methoden zur Bestimmung der Batteriealterung weitgehend definiert, jedoch stellen Felddaten einen größtenteils unerschlossenen Forschungsbereich dar. Als Beitrag zur Forschung entwickelt diese Dissertation neuartige datengetriebene Methoden zur Schätzung garantierelevanter Parameter von Lithium-Ionen-Batterien. Die entwickelten Methoden analysieren Feldmessungen von 21 Heimspeichersystemen in Privathaushalten über einen Zeitraum von bis zu acht Jahren.
Die untersuchten Systeme zeigen einen Kapazitätsverlust von etwa zwei bis drei Prozentpunkten pro Jahr. Die systemspezifische Widerstandserhöhung beträgt durchschnittlich ein bis 25 Prozentpunkte pro Jahr. Die identifizierten Degradationsarten umfassen den Verlust des Lithiuminventars sowie den Verlust des Aktivmaterials an Anode und Kathode.
In der Industrie können die Methoden für die Online-Diagnose von Heimspeichern zur bedarfsgerechten Wartung eingesetzt werden. Die Forschung kann die Methoden erweitern und zur Modellparametrisierung nutzen. Im politischen Kontext ermöglicht eine erarbeitete Marktanalyse, legislative Ziele zu formulieren und die Energiewende mit fundierten Entscheidungen zu gestalten.


09:45 Uhr: Alexander Epp, M.Sc.
"Multiphysical Models and Optimization for Conceptual Design of High-Voltage Battery Systems" (Vortragssprache: Deutsch)

Die Lithium-Ionen Batterie ist das teuerste und schwerste Bauteil in Elektrofahrzeugen. Daher steht die Batterie bei der Entwicklung neuer Elektrofahrzeuge oftmals im Mittelpunkt der Optimierung. Neben dem Batteriezellendesign spielen in einem Batteriesystem die serielle und parallele Verschaltung der Zellen, die Kühlbarkeit, die mechanische Integration der Batterie und die Elektronik eine entscheidende Rolle. Auch zwischen den spezifischen Elektrofahrzeuganforderungen (Energie, Leistung, Systemspannung, …) und dem optimalen Batteriesystem bestehen signifikante Abhängigkeiten. Darüber hinaus müssen Richtlinien hinsichtlich Haltbarkeit, Sicherheit und allgemeiner Lebensdauer erfüllt und somit bei der Auslegung des Batteriesystems berücksichtigt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Vielzahl von Schnittstellen innerhalb der Batteriesystementwicklung mit Hilfe eines multiphysikalischen Frameworks zu verbinden, und somit Batteriesystemkonzepte ganzheitlich zu bewerten, zu vergleichen und zu optimieren. Das Tool besteht aus kombinierten Modellen, welche die Hauptkomponentengruppen innerhalb des Batteriesystems repräsentieren. Eine Kombination aus Gaußscher Prozessregression und Klassifizierung wird zur globalen Optimierung der Batteriesystemkonzepte genutzt.
Die Ergebnisse diskutierten fundamentale und zukünftige batteriesystembezogene Fragestellungen von der Zell- über die Modul- bis hin zur Systemebene. Die Ergebnisse unterstreichen dabei auch die Notwendigkeit von komponentengekoppelten Modellansätzen zur gesamtheitlichen Bewertung von Batteriesystemkonzepten.

11:00 Uhr: Fabian Meishner, M.Sc.
„Untersuchung eines direkt-netzgekoppelten, stationären LTO-Speichersystems in einem 750 V DC Stadtbahnnetz“ (Vortragssprache: Deutsch)

Stationäre Energiespeichersysteme können die Energieeffizienz moderner, gleichstrombetriebener Stadtbahnsysteme erhöhen, indem sie überschüssige Bremsenergie aufnehmen und bei Bedarf wieder in das Netz zurückspeisen. Die zwischengeschaltete Leistungselektronik macht die Systeme jedoch technisch komplexer und oft unwirtschaftlich.
Die Arbeit präsentiert das neuartige Konzept eines direkt-netzgekoppelten, stationären Energiespeichers zur Steigerung der Energieeffizienz in Stadtbahnnetzen mit 750 V DC Nennspannung, basierend auf hochleistungsfähigen Batteriezellen mit Lithium-Titanat-Oxid-Anode (LTO). Es wird eine neue Simulationsmethodik vorgestellt, die eine detaillierte Analyse direkt-netzgekoppelter Speicher in Stadtbahnnetzen ermöglicht. Der Einsatz des neuartigen Konzepts wird simulativ am Beispiel der Line 112 in Oberhausen/Mülheim untersucht. Die Untersuchungen werden durch Messungen im Stadtbahnnetz unterstützt. Die Arbeit zeigt auf, unter welchen Bedingungen das System wirtschaftlich betrieben werden kann.