Elektrische Batteriespeichermodelle : Modellbildung, Parameteridentifikation und Modellreduktion

  • Electrical battery models : modelling, parameter identification and model reduction

Witzenhausen, Heiko; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Kowal, Julia (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : ISEA (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 90
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xi, 266 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Diese Arbeit behandelt das elektrische Verhalten von Lithium-Ionen-Batterien. Ziel ist es, allein durch das Strom- und Spannungsverhalten möglichst viel über eine Batterie herauszufinden, ohne in ihr Inneres blicken zu können. Dafür wird zunächst eine Modellvorstellung zu den Prozessen im Inneren einer Lithium-Ionen-Batterie erarbeitet. Für alle wichtigen Phänomene wird der Einfluss auf die elektrische Spannungsantwort hergeleitet und in ein mathematisches Grundgerüst zusammengeführt. Zur Parameteridentifikation allein anhand der Spannungskurve müssen diese Modellgleichungen vereinfacht werden. Die Parameter, deren alleinige Einflüsse auf die Spannungskurve nicht ohne Veränderung des Systems separierbar sind, werden zusammengefasst, sodass ein Modell mit rein elektrischen Größen entsteht. Mit unterschiedlichen Methoden wird unter Minimierung des Approximationsfehlers die Modellordnung deutlich reduziert. Das so transformierte Modell, basierend auf den Modellgleichungen von porösen Elektroden nach Newman, kann sogar zur Spannungsprognose oder zur Parameternachführung in einer Onboard-Diagnostik verwendet werden. Es wird des Weiteren ein Verfahren vorgestellt, mit dem die einzelnen Prozesse weitestgehend quantitativ vermessen und separiert werden können, ohne die Batteriezelle zu zerstören. Insgesamt wurden im Rahmen der Arbeit mehr als sechzehn unterschiedliche Batterietypen ausgiebig vermessen. Anhand der daraus abgeleiteten Erkenntnisse erfolgte die Entwicklung des Parametrierungsverfahrens. Dadurch gelingt es nun, die einzelnen in der Batterie ablaufenden Prozesse zu separieren und eine Hypothese zur Zuordnung von positiver und negativer Elektrode anhand mehrerer Indizien zu untermauern. Als Hilfsmittel werden die auf Wechselstrom basierendeelektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und eine Korrelationsanalyse zur Berechnung der Verteilungsfunktion der in der Impedanz auftretenden Zeitkonstanten (DRT) angewandt. Zusammen mit einer Reihe von Versuchen mit Gleichstromanregung ergibt sich eine Messvorschrift, die mit der richtigen Auswertungsmethodik eine weitgehende Charakterisierung des Batterieverhaltens erlaubt.Abschließend wird das beschriebene Verfahren in zwei Studien angewendet. In der erstenwerden anhand einer Vollparametrierung der Batteriezelle des Mitsubishi iMiEV der ersten Generation die Möglichkeiten eines aus den Messungen abgeleiteten Strom-Spannungs-Modells demonstriert. Die Überspannungen beider Elektroden können separat betrachtet werden und auch die Auswirkungen von sogenannten Blend-Elektroden werden sichtbar. Im Anhang der Arbeit finden sich zusätzlich die kompletten Parametrierungsergebnisse der Zelle des BMW i3 der ersten Generation. In der zweiten Studie wird auf die Veränderungen der Modellparameter während verschiedener Messreihen zur zyklischen Alterung von Batterien eingegangen. Hier ergeben sich weitere Hinweise zur Zuordnung der Prozesse zu den beiden Elektroden. Dieses präzise Wissen um die Zusammensetzung der Spannung und die Zuordnung der Überspannungen zu den einzelnen Elektroden kann in Zukunft eine völlig neue Steuerung des Betriebs einer Batterie und deutlich präzisere Aussagen über den Zustand und die Restlaufzeit des Systems erlauben.

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