Oliver Marak

• In der Automatisierungstechnik spielen Akkumulatoren eine zentrale Rolle. Sowohl im industriellen Umfeld als auch bei dem Einsatz von batteriebetriebenen Anwendungen, wie etwa Messgeräten oder kabellosen Endgeräten. Verstärkt kommen hierbei Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LiFePO₄) zum Einsatz, die sich durch Langlebigkeit, Zyklenfestigkeit und Temperaturunabhängigkeit auszeichnen. Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen, müssen besonders korrektes Laden und Entladen, geeignete Betriebstemperaturen und die Auswirkungen der Alterung auf das Ladeverhalten evaluiert werden. Mit Hilfe von Simulationen können diese Aspekte im Detail untersucht werden, ohne reale Zellen zu benötigen. Dadurch wird eine Effizienzsteigerung, eine Optimierung der Betriebsbedingungen und eine Prognose über zukünftiges Verhalten ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist ein tieferes Verständnis von LiFePO₄-Akkumulatoren. Dafür werden zu Beginn die physikalischen und chemischen Grundlagen beleuchtet. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Lade- und Entladeverhalten, der Alterung der Zelle sowie der Rolle der Temperatur während des Ladevorgangs. Darüber hinaus werden wirtschaftliche Aspekte und verschiedene Optionen der Akkumulator Simulation vorgestellt. Mit Hilfe der Programmiersprache Python werden anschließend unterschiedliche Szenarien modelliert und analysiert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Lade- und Entladeverhalten, das mit Messergebnissen an einem realen LiFePO₄-Akkumulator verglichen wird. Zudem wird der Einfluss von verschiedenen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezyklenanzahlen mit Hilfe verschiedener Modelle untersucht. Die Ergebnisse werden bewertet, einschließlich Verbesserungsmöglichkeiten, Aussagekraft und Grenzen. Abschließend wird ein Ausblick auf künftige Simulationsmöglichkeiten gegeben, stets mit einem Schwerpunkt auf Akkumulatoren im industriellen Umfeld.
• The increasing automation of industrial environments and the growing number of battery-powered applications in Industry 4.0, such as mobile devices or measurement devices, have intensified the use of lithium iron phosphate (LiFePO4) accumulators. Proper charging and discharging, maintaining correct operating temperatures, and understanding the impact of age on the charging behavior are particularly critical to ensuring safe and reliable operation. For safe and economic use, these aspects must be investigated in detail. Therefore, simulations are widely used. Simulations can improve efficiency, can optimize operating conditions, and allow predictions on future behavior. This master’s thesis aims to provide a deeper understanding of LiFePO4 accumulators. Therefore, the physical and chemical foundations are reviewed. A focus is placed on charging and discharging behavior, physical and chemical aging, and the role of temperature during charging. Furthermore, the economic aspect of simulations is evaluated and different options for accumulator simulations are presented. Using Python different scenarios are modelled and investigated. A special focus lies on charging and discharging behavior, compared to the measurement results obtained from a real LiFePO4 accumulator. In addition, the influence of varying temperatures and differing numbers of charging cycles is investigated using different models. The results are evaluated, including possible improvements, meaningfulness and limitations. Finally, a forecast for future simulation tools is provided, focusing on accumulators for industrial use.