Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erforschung der Auswirkungen der Pulsaufladung auf Lithium-Ionen-Batterien. Dabei wird in zwei Schritten vorgegangen: Zunächst werden bestehende Forschungsarbeiten und Schlussfolgerungen zu Pulsaufladungsverfahren für Lithium-Ionen-Batterien gesammelt, geordnet und zusammengefasst. Anschließend werden diese bekannten Erkenntnisse in ein Batteriemodell integriert, um sie zu validieren und weiterzuentwickeln.
In der Literaturrecherche wird untersucht, warum einige Studien von positiven Auswirkungen der Pulsaufladung auf Lithium-Ionen-Batterien berichten, während andere die Effekte als vernachlässigbar oder sogar schädlich einstufen. Auf der Grundlage dieser Literaturrecherche werden durch Modellierung (wie z.B. elektrochemische Modelle und Ersatzschaltmodelle) die Auswirkungen verschiedener Pulsaufladeverfahren auf die dynamischen Eigenschaften der Batteriezelle weiter erforscht und validiert.
Die Literaturrecherche berücksichtigt eine Vielzahl von Faktoren, die die Auswirkungen der Pulsaufladung auf Lithium-Ionen-Batterien betreffen. Zu diesen Faktoren gehören die Merkmale der Pulse (wie Frequenz, Tastverhältnis, Ruhezeit und Amplitude des Ladestroms) sowie, bei Einbeziehung von negativen Pulsen, die Dauer und Amplitude des negativen Pulsstroms. Die Auswirkungen der Pulse auf die Batterie werden in Bezug auf Ladezeit, Ladeeffizienz, Entwicklung des Anodenpotenzials, Temperaturverlauf, Batterielebensdauer und Degradationsverhalten untersucht.
Basierend auf dem in der Literatur gesammelten Wissen wird ein Digitaler Zwilling entwickelt, um die physikalischen Vorgänge in der Batterie zu simulieren. Der Digitale Zwilling dient dazu, reale Betriebsbedingungen zu simulieren, um in der Batterietechnologieentwicklung intelligente Entscheidungen zu treffen. Die Ergebnisse werden einerseits zur Unterstützung und Validierung der entwickelten Pulsaufladestrategien und andererseits zur Auswahl geeigneter Pulsaufladestrategien verwendet.
Die spezifischen Implementierungsschritte sind wie folgt: Zunächst werden unter Berücksichtigung realer Bedingungen die Auswahl der Zellen und die Rahmenparameter der Pulsaufladestrategien festgelegt. Anschließend werden die Auswirkungen auf elektrochemische Parameter (insbesondere die Ladezeit) sowohl auf Zellen- als auch auf Modulebene simuliert. Diese Simulationsergebnisse werden durch parallele Experimente verifiziert. Durch die Simulation können systematisch verschiedene Pulsaufladeverfahren in Abhängigkeit von Einflussfaktoren wie Temperatur, Ladezustandsbereich (SOC) und Gesundheitszustand (SOH) bewertet werden.
Um für spezifische Anwendungsszenarien das optimale Pulsaufladeverfahren auszuwählen, werden die elektrochemischen Ergebnisse des Batteriemodells in das entwickelte Batteriemanagementsystem (BMS) integriert. Die Optimierung der Pulsaufladestrategien auf Zellen- und Modulebene erfolgt durch wissens- und modellbasierte Ansätze, die auf Labormessungen und softwaregestützten Modellen („Digitaler Zwilling“) basieren. Die detaillierte Modellierung der Batteriezellen berücksichtigt dabei relevante kinetische Gleichungen, wie die Butler-Vollmer-Gleichung, um chemische und physikalische Prozesse innerhalb der Zellen zu beschreiben. Durch Simulationen können die Polarisationseffekte der Pulsaufladung sowie die resultierenden Ladezeiten und Wirkungsgrade für verschiedene Batterietypen bestimmt werden, wodurch geeignete Pulsverfahren ausgewählt werden können.
Parallel zum Aufbau des Demonstrators werden die Pulsprofile an das zu verwendende Batteriemodul angepasst. Die in der Simulation gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse werden dabei berücksichtigt. Die in der Simulation als vielversprechend identifizierten Pulsaufladestrategien werden getestet, um sowohl die Strategien als auch die Batteriemodelle weiter zu optimieren. Diese Untersuchungen konzentrieren sich auf Rundzellen. Die Simulationsergebnisse werden aus dem Digitalen Zwilling extrahiert und in einer logischen Struktur in das Batteriemanagementsystem integriert.