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

  • Physico-electrochemical simulation of lithium-ion batteries : implementation, parametrization and application

Schmalstieg, Johannes; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 96
Seite(n)/Artikel-Nr.: viii, 168 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

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.