Optimized charging of lithium-ion batteries with physico-chemical models

Ringbeck, Florian; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Krewer, Ulrike (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 159
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die Schnellladefähigkeit spielt für die Nutzbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien in vielen Anwendungen eine wichtige Rolle. Ein zu hoher Ladestrom kann jedoch die Batterie dauerhaft schädigen und stellt zudem ein Sicherheitsrisiko dar. Daher sind für viele Anwendungen Ladeverfahren mit einem angepassten Ladestrom erforderlich. Physikalisch-chemische Batteriemodelle, manchmal auch elektrochemische Batteriemodelle genannt, ermöglichen tiefe Einblicke in die internen Zustände und Prozesse von Lithium-Ionen-Batterien. Daher können sie ein wertvolles Werkzeug sein, um bestehende Ladesystematiken zu analysieren und neue Lademethoden zu entwickeln, die eine optimale Batterieladung ermöglichen. In dieser Arbeit werden solche Batteriemodelle für die Analyse bestehender Pulsladeverfahren und die Entwicklung eines modellbasierten Ladereglers zur Bestimmung des optimalen Ladestroms verwendet. Ziel ist es, die Batterien unter den gegebenen Umgebungsbedingungen so schnell wie möglich, bei minimaler Beeinträchtigung der Sicherheit und der Zyklenlebensdauer, zu laden. Daher wurde eine detaillierte Analyse zur Nützlichkeit von Impulsladeverfahren in Bezug auf Geschwindigkeit, Effizienz und Auswirkungen auf die Alterung durchgeführt. Messungen und physikalisch-chemische Simulationen haben gezeigt, dass solche Verfahren keinen unmittelbaren Nutzen während des Ladevorgangs bieten. Während auch für den Kapazitätsverlust über die Lebensdauer keine Vorteile nachgewiesen werden konnten, verlangsamte das Pulsladen den Widerstandsanstieg durch Alterung der getesteten Zellen. Lithium Plating ist einer der primären Alterungsmechanismen, die beim Schnellladen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, auftreten können. Da das Anodenpotenzial ein eindeutiger Indikator für Plating ist, kann ein modellbasierter Beobachter, der dieses Potenzial schätzt, zur Implementierung eines Ladereglers verwendet werden. Da der Laderegler in Echtzeit laufen muss, ist eine Modellreduktion des verwendeten physikalisch-chemischen Modells notwendig. Aktuelle Methoden zur Modellreduktion wurden daher hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile diskutiert. Die orthogonale Kollokation ist eine vielversprechende und skalierbare Technik, um den Rechenaufwand zu reduzieren, ohne die physikalische Bedeutung des Modells zu verlieren. Ansätze basierend auf Übertragungsfunktionen und Unterraumidentifikation sind eine leistungsfähigere Alternative auf Kosten der Flexibilität und Aussagekraft der Modellzustände. Im Folgenden wurde ein Zustandsbeobachter, basierend auf einem reduzierten Single Particle Model mit grober Diskretisierung implementiert, mit welchem der modellbasierte Regler den Batteriezustand schätzen kann. Der eingesetzte Beobachter, ein Unscented Kalman-Filter, ermöglicht eine konservative Schätzung des Anodenpotentials der Batterie, selbst beim Auftreten von Initialisierungs-, Mess- und Parametrierungsfehlern. Um diesen Laderegler zu validieren, muss das Auftreten von Lithium Plating bei Ladevorgängen erkannt werden. Aus diesem Grund wurde eine Post-Mortem-Studie durchgeführt, um die Genauigkeit von elektrischen Methoden zur Platingdetektion zu bewerten. Die Untersuchung haben gezeigt, dass die verwendeten elektrischen Indikatoren ein ausreichendes, aber kein notwendiges Kriterium für das Auftreten von Lithium Plating sind. Abschließende Validierungsmessungen zeigen, dass der modellbasierte Laderegler das Auftreten von Plating bei niedrigen Temperaturen abschwächen kann. Das resultierende Stromprofil ist einem konstanten Stromprofil mit der gleichen durchschnittlichen Stromrate überlegen und bewegt sich an der Grenze des Auftretens von Lithium Plating.