Ein Forscherteam der Universität Toledo (UT) hat ein Energiespeichersystem das erhöht die Langlebigkeit und Leistung von Akkupacks in Elektrofahrzeugen, Satelliten, Flugzeugen, Gitterstationen und mehr.

Die Forschung wird veröffentlicht in Batterien, eine internationale Zeitschrift, und war präsentiert auf der Advanced Design und Manufacturing Expo im Huntington Convention Center von Cleveland am März 7.

Herkömmliche Batterien

Batterien bestehen aus einer Reihe von verbundenen Zellen. Die Leistung einer Batterie ist auf die Kapazität ihrer schwächsten Zelle begrenzt. Daher müssen alle Zellenspannungspegel ausgeglichen sein, damit eine Batterie effizient arbeiten kann. Im Laufe der Zeit beginnt das Gleichgewicht der Zellen in einer Batterie zu rutschen, und die Leistung der Batterie fällt auf die ihrer schwächsten Zelle.

In der Vergangenheit versuchten Batterieingenieure, das Gleichgewicht ihrer Batterien aufrecht zu erhalten, indem sie entweder einen passiven Equalizer, der wertvolle Energie verliert, oder einen aktiven Equalizer verwenden, der 10-mal so viel kostet wie ein passiver Equalizer.

Neue Technologie

Diese revolutionäre Technologie, die als Bilevel-Equalizer bezeichnet wird, kombiniert jedoch die niedrigen Kosten passiver Equalizer mit der hohen Leistung eines aktiven Equalizers.

"Vor dem Bilevel-Equalizer gab es zwei Möglichkeiten, die Zellen auszugleichen", sagte er Ngalula Mubenga, Dozent für Elektrotechnik an der UT.

"Die Leute in der Branche waren sich des Problems der schwachen Zellen bewusst, konnten aber aufgrund der Kosten nichts unternehmen", fuhr sie fort. „Der Bilevel-Equalizer bietet eine kostengünstige und leistungsstarke Option. Dies ist eine Option, die sich ideal für Lithium-Ionen-Batteriespeichersysteme eignet, die kosteneffizient sein und eine lange Lebensdauer haben müssen. Der Bilevel Equalizer erhöht die Entladekapazität um über 30 Prozent und verlängert die Lebensdauer des Akkupacks, da die Zellen im Gleichgewicht sind. “

Der Bilevel-Entzerrer arbeitet, indem er Batteriezellen in Abschnitte von vier bis 14-Zellen gruppiert, sagte Mubenga. Innerhalb jeder Sektion ist jede spezifische Zelle mit einem passiven Equalizer ausgeglichen, und ein aktiver Equalizer arbeitet, um die Spannung des gesamten Abschnitts auszugleichen.

„In der Vergangenheit hätte ein Entwickler aktive 192-Equalizer-Einheiten verwendet, um eine Batteriebank mit 192-Zellen auszugleichen, ähnlich einer Hybridfahrzeugbatterie“, sagte Mubenga. „Beim Bilevel-Equalizer ist der Stack in 16-Abschnitte von 12-Zellen unterteilt, für die nur aktive 15-Equalizer-Einheiten erforderlich sind. Denken Sie daran, dass aktive Equalizer etwa das 10-fache des passiven Equalizers kosten. Dies ist also eine erhebliche Kostenersparnis. “

Inspiration

Für Mubenga, der in einer energiearmen Region in der Demokratischen Republik Kongo in Afrika aufgewachsen ist, kommt diese Studie in die Nähe von zu Hause.

Als sie erst 17 Jahre alt war, platzte Mubengas Anhang. Da es im Krankenhaus keinen Strom gab, musste sie drei Tage warten, bevor sie operiert werden konnte.

"Ich bin fast gestorben, weil es an Elektrizität mangelt", sagte Mubenga. „Ich wurde krank und musste mich einer Operation unterziehen, aber es gab keinen Kraftstoff, um den Stromgenerator im Krankenhaus zu starten. Mein Leben hing drei Tage lang von Elektrizität ab. Da wurde mir klar, dass Strom Leben rettet. Ich beschloss dann, Elektrotechniker zu werden, um eines Tages ein Unternehmen zu leiten, das Elektrizität in Orten wie dieser kleinen Stadt liefert. “

Sie war daher sofort fasziniert, als ihr Kollege Tom Stuart, emeritierte Professorin an der UT für Elektrotechnik und Informatik, kam mit der Idee für den Bilevel Equalizer zu ihr.

"Zu der Zeit hatte ich gerade mein Doktorandenprogramm in Elektrotechnik an der Universität von Toledo begonnen und suchte nach einem großartigen Projekt, um ein Problem zu lösen, das mit meinen Hauptinteressen zusammenhängt, nämlich erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge", sagte Mubenga. „Ein Batteriemanagementsystem diente zweifellos beiden Interessen. Als Tom seine Idee erwähnte, wollte ich unbedingt mit ihm zusammenarbeiten, um den Bilevel-Equalizer zu entwickeln. “

Mubenga hat die meiste ihrer beruflichen Karriere modelliert, nachdem sie die in ihrem Heimatland unterstützt hat.

Nachdem Mubenga ihre Ingenieurlizenz in Ohio erhalten hatte, gründete sie ihre eigene Firma namens SMIN Power Group, die Gemeinden in der Demokratischen Republik Kongo bei der Entwicklung und Installation von Solarstromsystemen hilft.

Mubenga erkennt auch, dass die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien der Wirtschaft ihres Heimatlandes helfen würde.

"Die meisten Mineralien für die heutige Elektronik werden in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut", sagte Mubenga in einer Erklärung. „Die Demokratische Republik Kongo ist ein weltweit führender Produzent von Kobalt, Kupfer, Gold, Diamant, Tantal und Zinn. Tatsächlich enthält die Demokratische Republik Kongo ungefähr 50 Prozent der weltweiten Kobaltreserven, ein Mineral, das zur Herstellung von Lithiumionenbatterien verwendet wird. “

Die Forscher lizenzieren ihre Erfindung an die Hersteller.