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Bayerisches Zentrum für Batterietechnik (BayBatt)

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Alumni

Fink, MichaelEinklappen
Hahn, MarkusEinklappen

Titel der Dissertation:

Diskrete elektrochemische Modellierung für Elektrodendesign und Laderegelung von Lithium-Ionen-Batterien

2022

Betreuender Lehrstuhl:

Elektrische Energiesysteme

Die Elektrifizierung des Energie- und Verkehrssektors basierend auf erneuerbaren und CO2 -neutralen Energieträgern ist unabdingbar, um das Ziel des Übereinkommens von Paris erreichen zu können: Die Begrenzung der anthropogenen Klimaerwärmung auf 1,5°C. In beiden Sektoren ist, bedingt durch die Volatilität erneuerbarer Energien und die Mobilitätsbedürfnisse der Bevölkerung, die effiziente und kostengünstige Speicherung von Energie notwendig. Hierfür kommen zunehmend Lithium-Ionen-Batterien in unterschiedlichsten Anwendungsszenarien zum Einsatz, welche neben einer Vielzahl an Vorteilen gegenüber konkurrierenden Technologien auch Herausforderungen mit sich bringen. So ist die Schnellladefähigkeit, welche die Dauer des Ladevorgangs analog zum Tankvorgang von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor definiert, technisch limitiert.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von ingenieurtechnischen Methoden und Werkzeugen, welche es ermöglichen, die Grenzen der Schnellladefähigkeit präzise zu bestimmen und durch Anpassungen auszudehnen. Nach der Diskussion des Aufbaus und des Funktionsprinzips von Lithium-Ionen-Batterien wird zunächst die Charakterisierungsmethode der Verteilung der Zeitkonstanten beschrieben und gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelt. Zudem wird der Einfluss der Metaparameter auf die Verteilungsfunktion identifiziert. Diese erlaubt die Trennung, Identifikation und Quantifizierung ablaufender Prozesse in beliebigen elektrochemischen Systemen ohne die Notwendigkeit von Vorwissen, Annahmen und Modellen basierend auf üblichen elektrischen Messverfahren.
Die Charakterisierung von Lithium-Ionen-Batterien wird häufig dazu verwendet, Batteriemodelle zu motivieren und zu parametrieren. Die eingesetzten Modelle sind in der Lage, das Verhalten in unterschiedlichen Betriebsfällen zu beschreiben und vorherzusagen. Diese Vorhersagefähigkeit kann auch für Schnellladestrategien genutzt werden. Die nach Stand der Wissenschaft und Technik verwendeten Modellansätze erfüllen die Anforderungen für eine Laderegelung anhand lokaler Zustände innerhalb der Batterie jedoch nur unzureichend. Darüber hinaus sind nulldimensionale Modelle, welche keine Ortsinformation beinhalten, nicht geeignet, das Verhalten poröser Elektroden zu charakterisieren und zu quantifizieren. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit, ein aus der Energie- und Nachrichtenübertragungstechnik stammendes Impedanzmodell für Batterieelektroden zu adaptieren, in den Zeitbereich zu transformieren, echtzeitfähig zu lösen und für die Schnellladung anzuwenden. Dieses Kettenleiter- oder Leiterbahnmodell charakterisiert stets Einzelelektroden und ermöglicht eine örtliche Auflösung entlang der Flächennormalen der Elektrode. Als gemischt leitendes Netzwerk charakterisiert die diskrete, elektrochemische Modellstruktur sowohl ionischen als auch elektronischen Ladungstransport in einem. Mithilfe der aus der Verteilungsfunktion der Zeitkonstanten identifizierten Prozesse wird die Modellstruktur, bestehend aus konzentrierten elektrischen Netzwerkelementen, hergeleitet, im Zeit- und Frequenzbereich mathematisch beschrieben und implementiert. Anders als für den ursprünglichen Verwendungszweck in der Übertragungstechnik findet eine Diskretisierung des Modells und damit einhergehend der Elemente statt, um die Transformation in den Zeitbereich zu erlauben. Aufgrund dieser örtlichen Aufteilung der ablaufenden Prozesse wird der Ansatz in der vorliegenden Arbeit als diskretes elektrochemisches Modell bezeichnet. Durch die Modellstruktur ergibt sich eine Einordnung zwischen nulldimensionalen, phänomenologischen Ersatzschaltbildmodellen und physikalisch-chemischen Modellen. Während das Frequenzbereichsmodell mithilfe einer analytischen Übertragungsfunktion iterativ bestimmt und gelöst werden kann, ist im Zeitbereich ein angepasstes numerisches Verfahren nötig. Es entsteht ein differentiell-algebraisches Gleichungssystem, welches besondere Stabilitätsanforderungen an den Lösungsalgorithmus stellt. Daher kommt ein linear-implizites Euler-Verfahren zum Einsatz. Durch dessen effiziente Ausführung ist eine Simulation des Modells auf einer Echtzeitumgebung im technisch relevanten 10ms-Takt möglich.
Die Modellparametrierung erfolgt im Frequenzbereich anhand elektro-chemischer Impedanzspektren. Für Messdaten auf Halbzellebene wird kommerzielles Elektrodenmaterial in Experimentalzellen mit Referenzelektrode eingebracht. Die Modellgüte und Interpretierbarkeit der Parameter zeigen eine starke Abhängigkeit von der gewählten Diskretisierung. Für ein interpretierbares Ergebnis mit hoher Güte sind im Frequenzbereich mindestens einige hundert diskrete Elemente notwendig. Aufgrund der geringen Anzahl an Modellparametern ist die Parametrierung effizient und eindeutig. Im Zeitbereich zeigt das so parametrierte Modell bereits bei einer wesentlich gröberen Dis- kretisierung eine hohe Übereinstimmung mit Validierungsmessungen hoher und niedriger Dynamik. Einige im Rahmen studentischer Arbeiten entwickelte Modellerweiterungen zeigen Möglichkeiten auf, den Rechenaufwand weiter zu reduzieren und zwei Einzelelektrodenmodelle zu einem Vollzellmodell zu kombinieren.
Zur praktischen Anwendung kommt das Frequenzbereichsmodell in einer Studie zur Analyse des Elek- trodendesigns der untersuchten Anode. Neben der generellen Auswirkung von veränderten Modellparametern wird die simulative Veränderung verschiedener Elektrodeneigenschaften wie der Dicke, der Porosität oder der Partikelgrößen untersucht. Es zeigt sich, dass die ursprüngliche Elektrode nahe am Optimum einer Hochenergiezelle konzipiert ist. Gleichzeitig wird deutlich, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, auch veränderte Elektrodeneigenschaften nachzubilden. Es ist somit geeignet, modellbasiert Elektroden mit bedarfsgerechten Eigenschaften unter geringem Zeitaufwand zu designen und zu optimieren. Hierzu zählt insbesondere die Identifikation limitierender Faktoren während der Ladung, um so durch Veränderung der Elektrodengeometrie die Schnellladefähigkeit zu verbessern.
Schließlich wird das Zeitbereichsmodell eingesetzt, um mithilfe einer modellprädiktiven Regelung eine hinsichtlich verschiedener Kostenfunktionen optimale Schnellladung durchzuführen. Eine Möglichkeit ist die Regelung des Elektroden-Oberflächenpotentials auf einen vordefinierten Wert, welcher eine Schä- digung der Elektrode aufgrund von Lithium-Metallabscheidung verhindert. Auf diese Weise ist eine maximale Ausnutzung der Schnellladefähigkeit der gegebenen Elektrode möglich, ohne diese hierdurch signifikant zu schädigen. Auf einen dem Stand der Technik entsprechenden, großen Sicherheitsfaktor kann verzichtet werden, da anstatt des Klemmenverhaltens lokale interne Zustände verwendet werden.
Ein zweiter Ansatz erlaubt die Abwägung zwischen einer weitergehenden Verkürzung der Ladezeit und der hierdurch beschleunigten Alterung, welche der Nutzer bedarfsgerecht durchführen kann. So lassen sich zukünftig beispielsweise Elektrofahrzeuge bedarfsgerecht mit minimaler Dauer laden. Der Ladealgorithmus zeigt sich stabil gegenüber Unsicherheiten der Modellparameter und bedarf für einen Einsatz im Batteriemanagementsystem einer Zustandsschätzung, welche sich zum Zeitpunkt des Einreichens der vorliegenden Arbeit in Entwicklung befindet. Das entwickelte Modell ist somit in der Lage, die Anforderungen hinsichtlich der Schnellladefähigkeit sowohl im Entwicklungseinsatz als auch in einem Laderegler zu erfüllen und stellt einen Mehrwert gegenüber dem Stand der Technik dar.
Anders als bisherige Modelle vereint der hier vorgestellte Ansatz eindeutige Parametrierbarkeit und Echtzeitfähigkeit aufgrund der elektrischen Netzwerkstruktur mit ortsaufgelösten, elektrochemisch-physikalisch interpretierbaren Zuständen im Elektrodeninneren. Der Einsatzzweck des Modells ist zudem nicht auf die genannten Bereiche limitiert: Weiterführende Arbeiten können, basierend auf der Grundstruktur, auch das thermische Verhalten der Batterie charakterisieren und detaillierte Alterungsstudien durchführen. Auch die Eignung neuartiger Festelektrolyte und deren Einsatz im Elektrodenverbund wird zukünftig auf Basis des vorgestellten Modells evaluiert.

Karg, AndreasEinklappen

Katzer, FelixEinklappen

Koller, JanEinklappen
Michlik, TobiasEinklappen
Nazarenus, TobiasEinklappen

Rosenbach, DominicEinklappen

Rüther, Tom Einklappen

Titel der Dissertation:

Elektrochemische Charakterisierung und systemtechnische Diagnose von Lithium-Ionen-Batterien

2025

Betreuender Lehrstuhl:

Elektrische Energiesysteme

Angesichts der zunehmenden Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in der Zukunft ist es unerlässlich alternative Ansätze zum Recycling zu erforschen, die Lebensdauer von Batterien zu maximieren und deren Performanceeigenschaften zu optimieren. Um geeignete Lösungsansätze zu entwickeln, ist es daher von signifikanter Bedeutung, ein vertieftes Verständnis der elektrischen Eigenschaften sowohl von einzelnen Zellen als auch von Modulen zu entwickeln. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Prozesscharakterisierung, die Löwner-Methode, angewandt. Diese wird sowohl anhand von Ersatzschaltbildmodellen als auch mittels bestehender Methoden zur Prozesscharakterisierung validiert. Sie bietet einen vielversprechenden und innovativen Ansatz zur Analyse unterschiedlichster elektrochemischer Systeme.
Die Löwner-Methode wird mit alternativen Methoden kombiniert, um eine umfassende Charakterisierung von 92 Lithium-Ionen-Batterien zu ermöglichen, die über die Analyse von Ersatzschaltbildparametern oder Messgrößen hinausgeht. In dieser Analyse werden Transportprozesse identifiziert und hinsichtlich ihrer Verteilungsfunktionen untersucht, wobei sich die allgemeine Annahme der Normalverteilung für einige Prozesse widerlegen lässt. Darüber hinaus zeigt eine Korrelationsanalyse drei diskrete Prozessgruppen, welche der Zellwicklung, den Oberflächen- und den Diffusionsprozessen zugeordnet werden. Die Ergebnisse der Zellvariationsstudie werden anschließend genutzt, um die Energie- und Pulsleistungsfähigkeiten von Batteriemodulen in serieller und paralleler Verschaltung zu modellieren. Dabei werden zur Berücksichtigung der Parametervariationen und Korrelationen multivariate Normalverteilungen herangezogen.
Im Rahmen einer Simulation wird der Einfluss von Zellsortierungen und einer inhomogen gealterten Zelle auf die Performancegrößen der Energie- und Pulsleistungsfähigkeit untersucht. Es stellt sich heraus, dass eine Zellsortierung nur mit einem beträchtlichen Aufwand zu einer geringen Verbesserung der Performance führt. Demgegenüber zeigt die Performance eine deutliche Abhängigkeit von der Inhomogenität, insbesondere in der seriellen Verschaltung. Folglich wird ein Verfahren zur Detektion von Inhomogenitäten in seriellen Verschaltungen entwickelt. Dazu wird die Impedanz des Gesamtmoduls simuliert und anhand verschiedener Merkmale analysiert. Hierbei wird das Niederfrequenzminimum als das geeignetste Merkmal identifiziert und folglich anhand von Messungen validiert. Dieses Merkmal kann in einer Reihenschaltung von bis zu zehn Zellen zur Identifikation von inhomogenen Zellen genutzt werden.
Diese Arbeit leistet somit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Batteriemodulen sowie deren Performance und legt damit den Grundstein für die zukünftige Entwicklung von Entscheidungsalgorithmen im Bereich der Kreislaufwirtschaft.

Schadeck, UlrichEinklappen

Weiß, SebastianEinklappen
Zander, JudithEinklappen

Verantwortlich für die Redaktion: Dr. Maike Brütting

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