Physico-chemically motivated parameterization and modelling of real-time capable lithium-ion battery models : a case study on the Tesla Model S battery

  • Physikalisch-chemisch motivierte Parametrierung und Modellierung von echtzeitfähigen Lithium-Ionen Batteriemodellen - eine Fallstudie zur Tesla Model S Batterie

Hust, Friedrich Emanuel; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Ascheid, Gerd (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2018, 2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 120
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (vii, 203 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein physikalisch-chemisch motiviertes impedanzbasiertes und echtzeitfähiges Lithium-Ionen-Batteriemodell vorgestellt und auf Basis von Zellen aus einem Tesla-Modell S parametriert. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert. Im ersten Teil werden die elektrochemischen Eigenschaften der Zelle experimentell hergeleitet. Der zweite Teil beschreibt die Herleitung eines generischen elektrischen und thermischen Modells. Beide Modelle bilden die Grundlage für das sogenannten ISEAFrame, ein Simulationsframework für Energiespeichersysteme. Im dritten Teil werden drei Testfälle für das Simulations-Framework diskutiert. Im ersten Teil wurden Experimente an Automobilzellen eines Tesla-Modells S durchgeführt. Ein Batteriemodul wurde demontiert und mehrere hundert Lithium-Ionen-Zellen entnommen. Zur Untersuchung einzelner Komponenten wurde eine Tear-Down-Analyse durchgeführt. Aus den aktiven Materialien wurden mehrere Halbzellen konstruiert und elektrochemisch getestet. Es wurde festgestellt, dass ein wesentlicher Faktor, der das Relaxationsverhalten der Vollzelle beeinflusst, durch die negative Elektrode hervorgerufen wurde. Es wird angenommen, dass die Relaxation durch die Umverteilung von Lithium innerhalb der Graphitelektrode verursacht wird, die durch Potentialunterschiede zwischen den Partikeln verursacht wird. Weitere Experimente wurden an den Vollzellen durchgeführt. 27 Zellen wurden parallel geschaltet und langsam aufgeladen und entladen, um das Spannungsverhalten von parallel geschalteten Zellen besser zu verstehen. Während des Experiments wurden Strom und Spannung jedes Prüflings protokolliert. Es konnte gezeigt werden, dass die Spannungsänderung (dV/dQ) in den Batterien der wichtigste Einflussfaktor für die Umverteilung von Strömen war. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Modellierung des elektrothermischen Verhaltens der Batterien. Eine Implementierung eines generischen elektrischen und thermischen Modells wurde entwickelt und in C++ implementiert. Das Modell ist auf Echtzeitsystemen ausführbar. Das elektrische Modell ist ein ein- und ausgangsbasiertes Modell. Der Strom wird als Eingang verwendet und Spannung, Wärme und andere interne Zustände werden als Ausgang verwendet. Das Modell besteht aus einem zeitvarianten differential-algebraischen System, das in jedem Zeitschritt linearisiert wird. Das elektrische Netzwerk basiert auf einem "lumped parameters" Ansatz. Die Parameter des Netzwerks können je nach Verhalten der Batterie variiert werden und sind abhängig von Ladezustand, Temperatur sowie anderen Zuständen. Aus einer Baumdarstellung werden die Kirchhoff-Gleichungen abgeleitet. Diese Gleichungen bilden die Grundlage für ein Zustands-Raum-Modell, das physikalische und chemische Prozesse durch eine Spannungsreaktion beschreibt. Zusätzlich zum echtzeitfähigen C++-Modell wurde ein Transcoder entwickelt, der ein einzelnes Simulationsszenario aus einer Zwischendarstellung in andere Zielsprachen wie Matlab oder Simulink übersetzt. Das thermische Modell ist ebenfalls input-/outputgesteuert. Wärme wird als Eingang und Temperatur als Ausgang behandelt. Die Wärme wird durch das elektrische Modell zugeführt und über eine Reihe von endlichen Volumina geleitet, die die Batterie und ihre Kühlung darstellen. Die Temperatur wird in das elektrische Netz zurückgeführt und verändert so die Elemente des elektrischen Netzes. Im letzten Teil werden drei verschiedene Testfälle diskutiert. Die drei Testfälle untersuchen die Möglichkeiten des entwickelten Simulationsframeworks und seine Grenzen. Zunächst wird ein eingehender Blick auf die Halbzellen-Graphitanode gegen Lithium geworfen. Mehrere Relaxationsmessungen werden simuliert und mit den experimentellen Ergebnissen des ersten Teils dieser Arbeit verglichen. Im zweiten Teil werden Simulationen der Vollzelle mit Experimenten bei verschiedenen Ladezuständen und Temperaturen verglichen. Schließlich wird eine Simulation des gesamten Tesla Model S Moduls mit den durchgeführten Experimenten verglichen. Das entwickelte Simulations-Framework wurde veröffentlicht und ist unter https://github.com/FHust/ISEAFramework zugänglich.

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