Physikalisch-elektrochemische Simulation von Lithium-Ionen-Batterien : Implementierung, Parametrierung und Anwendung

Schmalstieg, Johannes; Simon, Ulrich; Sauer, Dirk Uwe

doi:36180

Physikalisch-elektrochemische Simulation von Lithium-Ionen-Batterien : Implementierung, Parametrierung und Anwendung = Physico-electrochemical simulation of lithium-ion batteries : implementation, parametrization and application

Schmalstieg, Johannes^RWTH*

2017

VerantwortlichkeitsangabeJohannes Schmalstieg

ImpressumAachen : ISEA 2017

Umfangviii, 168 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 96

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-05-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04693
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-046935
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/689927/files/689927.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/689927/files/689927.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Lithium-Ionen-Batterie (frei) ; physikalisches Modell (frei) ; Newman Modell (frei) ; Parametrierung (frei) ; Alterung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die steigende Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien sowie die hohen Anforderungen, z.B. für die Schnellladung in der Elektromobilität, erfordern ein immer detaillierteres Verständnis des Zellsystems. Für die Nutzung in Grenzbereich wie hohen Ladeleistungen, die zu starker Alterung durch Lithium-Plating führen können, ist eine exakte Kenntnis der internen Zustandsgrößen der Batterie nötig, um diese durch eine angepasste Batteriediagnostik schützen zu können. Der Einsatz von grundlagenbasierten physikalisch-elektrochemischen Simulationsmodellen kann dabei helfen, das nötige Verständnis für diese sich immer mehr erweiternden Einsatzfelder zu schaffen, sowie den sonst nötigen Testaufwand zur Zellcharakterisierung zu verringern. Sie ermöglichen den Blick auf die im Inneren stattfindenden Prozesse und damit die Identifikation der für den Betrieb der Zelle maßgeblichen internen Zustandsgrößen. Diese Arbeit beschreibt zunächst die Weiterentwicklung und Implementierung eines physikalisch-elektrochemischen Batteriemodells, welches die Flexibilität und Erweiterbarkeit um neue Effekte stark erhöht. Statt der sonst üblichen Abbildung einer Zelle als 1D-Querschnitt ermöglicht es die Simulation von 2D und 3D Strukturen, wodurch unter anderem Inhomogenitäten abgebildet werden können. Es erlaubt die freie Variation und Zusammenstellung unterschiedlicher Materialeigenschaften. Zusätzlich wurden Doppelschichtkapazitäten in das elektrische Modell implementiert, dies ermöglicht die Simulation von Impedanzspektren. Zur Nachbildung einer Batterie werden hierbei die Materialparameter der in der Zelle verwendeten Komponenten benötigt. Das Vorgehen zur Parametrierung dieser Materialparameter wird anhand einer prismatischen Hochleistungszelle beschrieben. Dies beinhaltet Untersuchungen des Elektrolyten sowie der Aktivmaterialien, welche direkt oder durch Nutzung in Laborzellen elektrochemisch untersucht werden. Zusätzlich erfolgt noch eine Analyse der thermischen Eigenschaften, da die Eigenerwärmung der Zelle und deren Auswirkungen auf die Zellperformance hier nicht vernachlässigt werden können. Die Qualität des bestimmten Datensatzes wird dabei durch die Validierung anhand von Entlade- und Ladekurven, Pulstests, Impedanzspektren und einem realistischen Fahrprofil, jeweils bei verschiedenen Temperaturen, demonstriert. Mit dem parametrierten Modell werden beispielhafte Simulationen durchgeführt. In einer modellgestützten Zellanalyse werden die Auswirkungen einer Partikelgrößenverteilung unter verschiedenen Aspekten betrachtet. Die in Impedanzspektren auftretenden Komponenten werden den jeweiligen Prozessen und Eigenschaften zugeordnet. Weiterhin werden drei in durchgeführten Alterungstests aufgetretene Effekte betrachtet und es werden die jeweils dazu aufgestellten Theorien simuliert. Es werden somit von der Implementierung des Modells über die Gewinnung der nötigen Materialparameter bis zur beispielhaften Anwendung die Möglichkeiten der physikalisch-elektrochemischen Batteriemodellierung vorgestellt und deren Anwendbarkeit und Nützlichkeit demonstriert.

The increasing use of lithium-ion batteries as well as the high requirements, e.g. for fast charging of electric car, require a more detailed understanding of the cell system. For use under extreme conditions such as high charging currents, which can lead to strong aging due to lithium plating, an exact knowledge of the battery's internal state variables is necessary in order to be able to protect them with optimized battery diagnostics. The use of fundamental-based physico-electrochemical simulation models can help to provide the necessary understanding for these applications, as well as to reduce the otherwise required test effort for cell characterization. They allow to look at the processes taking place internally and thus the identification of the internal state variables which are decisive for the operation of the cell. This work starts with the description of the enhancements and implementation of a physico-electrochemical battery model, which greatly increases the flexibility and extensibility to new effects. Instead of the usual simulation of a cell as a 1D cross section, the extension to 2D and 3D structures makes it possible to reproduce inhomogeneities. It allows the free variation and combination of different material properties. In addition, double-layer capacitances were implemented in the electrical model, which allows the simulation of impedance spectra.In order to simulate a battery, the material parameters of the components used in the cell are required. The procedure for parameterizing these material data is described by means of a prismatic high-performance cell. This includes investigations of the electrolyte as well as the active materials, which are examined directly or electrochemically by use in laboratory cells. In addition, an analysis of the thermal properties is carried out since the self-heating of the cell and its effects on the cell performance cannot be neglected here. The quality of the determined data set is demonstrated by a validation based on discharge and charging curves, pulse tests, impedance spectra and a realistic driving profile, all at different temperatures. The parameterized model is used to perform exemplary simulations. In a model-based cell analysis, the effects of a particle size distribution are considered under various aspects. The components occurring in impedance spectra are assigned to the respective processes and properties. Furthermore, three effects which have occurred in aging tests are examined and the theories which have been developed are simulated. Thus, from the implementation of the model to the acquisition of the necessary material parameters up to the exemplary application, the possibilities of physico-electrochemical battery modelling are presented and their applicability and usefulness are demonstrated.

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