Batteriemodellierung, 2011 - ISEA RWTH Aachen

Speichersystemtechnik
Storage Systems
Kompetenzen und Infrastruktur
Competences and Infrastructure
Batteriemodellierung
Battery Models
Bei der Auslegung von batteriegestützten Systemen ist die
Kenntnis über das Verhalten der Batterie von großer Bedeutung. Batteriemodelle helfen bei der Auslegung z.B. von Batterie-Packs und Kühlung, sie werden für die Prognose der
Lebensdauer der Batterie unter den Betriebsbedingungen der
jeweiligen Anwendung eingesetzt und können zur Bestimmung geeigneter Batterielade- und Refreshverfahren dienen.
Alles in allem bieten Batteriemodelle wichtige Unterstützung
bei der Batterieentwicklung, sowohl bei der Integration in die
Anwendung als auch in der Materialentwicklung.
To design battery-based systems, knowledge about the behavior of the battery is of great importance. Battery models
can help to design e.g. battery packs and cooling systems,
they are used to predict lifetime of batteries under operating
conditions of the particular application and they can be used
to determine suitable battery charging and refresh strategies.
All in all battery models provide important input for the development of batteries, both for the integration into the application as well as for the development of cell materials.
Je nach Fragestellung werden verschiedene Modellarten für
die Betrachtung des Systems verwendet. Batteriemodelle lassen sich hierbei in verschiedene Klassen unterteilen:
Depending on the aim, different model types can be used to
investigate the system. Battery models can be divided into different model classes:
• Dynamische Modelle zur Beschreibung des elektrischen Ver
haltens der Zelle: Diese Modelle sind meist empirisch basierte
Modelle, die anhand von Pulsmustern oder Impedanzspektroskopie parametriert werden. Sie zeichnen sich durch ihre Recheneffizienz aus und lassen sich leicht von einer
Batterietechnologie auf die andere übertragen, indem die Parameter entsprechend angepasst werden. Dynamische Modelle
können kleine Zeitschritte simulieren, transiente Effekte abbilden und ermöglichen eine genaue Wiedergabe von Stromund Spannungsprofil.
• Dynamic models to describe the electrical behavior of the
cell: These models are usually empirically based models, parameterized on the basis of pulse power profiles or impedance
spectroscopy. They are characterized by their computational
efficiency and can be easily transferred from one battery technology to another by simply adjusting the model parameters.
Dynamic models can be used to simulate small time steps and
therefore transient effects and they allow an accurate calculation of the current/voltage profile of the battery.
• Thermische Batteriemodelle: Sie dienen zur Bestimmung der
Temperatur innerhalb von Zellen und Batteriepacks und helfen
somit bei der Auslegung von Batterie-Packs und Kühlstrategien
• Physikalisch-Chemische Modelle: Diese Modelle modellieren die in der Zelle auftretenden
physikalisch-chemischen Prozesse nach firstprinciples. Sie dienen zum besseren Verständnis
der Zellprozesse und bieten Unterstützung in
der Zellentwicklung, da sie mittels Materialparameter parametriert werden können. Physikalisch-chemische Modelle zeichnen sich durch
komplexe Berechnungen aus und werden daher
häufig offline eingesetzt.
• Physico-chemical models: These models simulate the physical and chemical processes occurring in the cell by first-principles. They help to
better understand the cell processes and provide
assistance in cell and material development, since
they can be parameterized using material parameters. Physico-chemical models are characterized
by complex calculations and are therefore usually
used offline.
Impedanzspektum und elektrisches
Ersatzschaltbild
Impedance spectrum and electrical
circuit diagram
• Alterungsmodelle: Sie dienen zur Bestimmung der Veränderung der Performance der Batterie mit der
Alterung unter typischen Betriebsbedingungen. Sie haben zum
Ziel Lebensdauerprognosen der Batterien in der Anwendung
zu treffen.
Am ISEA werden diese verschiedenen Modellarten, je nach Anwendungsfall, für unterschiedliche Speichertechnologien entwickelt. Im Fokus stehen hierbei insbesondere Lithium-Ionen
Batterien, Blei-Säure Akkus, SuperCaps, RedoxFlow Systeme
und NiMH basierte Batterien. Im Folgenden werden die Ansätze der Impedanz-basierten Modellierung und der physikalisch-chemischen Modellierung näher beschrieben.
Impedanz-basierte Modelle sind empirische Modelle und werden anhand von Elektrochemischer Impedanzspektroskopie parametriert. In einem Impedanzspektrum können den
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• Thermal battery models: They are used to determine the
temperature distribution inside the cells and battery packs.
They help to design battery packs and cooling strategies.
application.
• Aging Models: They are used to determine the
change in performance of the battery over aging
under typical operating conditions. They aim to
make life time predictions for the battery in the
At ISEA the different types of models are developed for different storage technologies depending on the application. Battery models are developed for lithium-ion batteries, lead-acid
batteries, SuperCaps, RedoxFlow systems and NiMH based batteries. In the following the impedance-based model approach
and physico-chemical models are described in more detail.
Impedance-based battery models are empirical models parameterized by means of electrochemical impedance spectroscopy. In an impedance spectrum different cell mechanisms
can be assigned to the different frequency ranges.
The Figure shows an impedance spectrum of a lithium-ion cell,
together with the electrical equivalent circuitdiagram used to
describe the impedance spectrum of lithium-ion batteries.
Storage Systems
Im Gegensatz zu impedanz-basierten Modellen werden in physikalisch-chemischen Modellen die in der Zelle auftretenden
Prozesse modelliert. Diese Modelle bilden das Strom-Spannungsverhalten, den Ladezustand und die Lithium-Ionen Konzentration in der Zelle zeit- und ortsaufgelöst ab. Sowohl
Lade- und Entladekennlinien als auch dynamische Belastungen
können mit dem Modell realistisch wiedergegeben werden.
Die Berechnung der Stromverteilung basiert auf einem elektrischen Netzwerk, in welchem physikalisch-chemische Prozesse in der Zelle als nicht-ohmsche Widerstände dargestellt
und nach first principles berechnet werden. Elektrische Elemente des Netzwerkes sind z.B. der Ladungstransferwiderstand, die lokale Gleichgewichtsspannung, SEI-Widerstand und
Widerstände für Ableiter, Aktivmaterial, Elektrolyt und Separator. Um diese Elemente zu berechnen, ist die Konzentrationsverteilung in der Zelle in Elektrolyt und Aktivmasse
notwendig. Deshalb wird dem elektrischen Modell ein Konzentrationsmodell hinterlegt, welches auf der diskretisierten
Nachbildung der Diffusionsprozesse via Finiter-DifferenzenMethode basiert. In das physikalisch-chemische Modell können zudem Alterungseffekte wie z.B. wie im Fall von
Lithium-Ionen Batterien die Ausbildung der solid electrolyte
interphase (SEI), Lithium-Plating, mechanische Belastung, usw.
integriert werden. Auch hier gilt, dass sich der Ansatz auch
ohne weiteres auf andere Batterietechnologien übertragen
werden kann. Hierzu müssen aber die auftretenden Zellmechanismen angepasst werden.
Kontakt Contact
Madeleine Ecker, batteries@isea.rwth-aachen.de
Tel.: +49 241 80-96943
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Competences and Infrastructure
In contrast to impedance-based models, physico-chemical
models simulate the processes occurring in the cell. Such models are able to reproduce the current-voltage behavior, the
state of charge and the lithium ion concentration inside the
cell over time and spatially resolved. Both, charge- and discharge characteristics, as well as dynamic load conditions can
be reproduced with the model.
The calculation of the current distribution is based on an electrical network in which physico-chemical processes in the cell
are described by non-ohmic resistances calculated by first
principles. Electrical elements of the network are for example
the charge transfer resistance, the local equilibrium voltage,
SEI-resistance and resistances describing active material, electrolyte and separator. To calculate these elements, the concentration distribution inside the cell in the electrolyte and
the active material is needed. Therefore, the electrical model
is coupled to a model calculating the lithium-ion concentration distribution. The concentration calculation is based on the
discrete simulation of diffusion processes via finite-difference
method. In the physical-chemical model also aging effects
such as the formation of solid electrolyte interphase (SEI),
lithium plating, mechanical stress, etc. can be integrated. Also
this model approach can be transferred to other battery technologies. However, the occurring cell mechanisms have to be
adapted.
verschiedenen Frequenzbereichen unterschiedliche Zellmechanismen zugeordnet werden. Die Abbildung zeigt ein Impedanzspektrum einer Lithium-Ionen Zelle, zusammen mit dem
elektrischen Ersatzschaltbild, welches in Lithium-Ionen Batterien zur Beschreibung des Impedanzspektrums verwendet
wird. Anhand dieses Ersatzschaltbildes, welches an das Impedanz-Spektrum angefittet wird, lässt sich das Strom- und
Spannungsprofil der Zelle modellieren. Die resultierenden Impedanzparameter werden dem Modell in Abhängigkeit von
Temperatur, Ladezustand und Stromrate hinterlegt. Ein solches
Modell kann das Strom- und Spannungsprofil einer Zelle recht
genau abbilden.
Das hier für Lithium-Ionen Batterien vorgestellte Impedanzbasierte Modell, lässt sich ohne großen Aufwand auf andere
Batterietechnologien übertragen. Hierzu müssen im Wesentlichen die Impedanzparameter an die gewünschte Batterietechnologie angepasst werden. Das impedanz-basierte Modell
lässt sich auch auf eine ortsaufgelöste Form bringen und an
ein thermisches Modell koppeln, so dass hiermit die Wechselwirkung zwischen Strom- und Temperaturverteilung in der
Zelle oder im Batteriepack simuliert werden kann. Solche gekoppelten elektrisch-thermischen Modelle finden schließlich
Anwendung in Alterungsmodellen, da sie für die Alterung
wichtige Parameter wie Temperatur und Spannungslage bereitstellen können.
Kompetenzen und Infrastruktur
Using this equivalent circuit diagram, fitted to the spectrum,
the current/voltage profile of the cell can be modeled accurately. The resulting impedance parameters are given to the
model as a function of temperature, state of charge and current. The high-frequency range of the spectrum is usually
modeled using an inductance. The inductive behavior is caused
by current collectors and the electrode geometry. The intercept of the spectrum with the real axis is usually simulated by
a serial resistor. It represents the ohmic resistance of active
masses and electrolyte. In the medium frequency range the
spectrum shows two overlapping compressed semicircles,
which are modeled by ZARC elements. A ZARC element consists of a CPE (constant phase element) and a resistor connected in parallel. In literature, the two semicircles are
attributed to the charge transfer process and the formation of
the surface layer on the anode (SEI) in lithium-ion batteries. At
low frequencies a diffusion branch can be seen, which is usually modeled by a Warburg impedance. Such a model is able to
map the current/voltage characteristics of a cell fairly accurately.
The impedance-based model presented here for lithium-ion
batteries can be easily transferred to other battery technologies. This requires essentially the adaption of the impedance
parameters to the desired battery technology. The impedancebased model can also be extended to a spatially resolved
model and coupled to a thermal calculation. Finally it is possible to describe the interaction between current and temperature distribution inside the cell or battery pack. Such coupled
electrical-thermal models are also applied in aging models, as
they are able to provide the key parameters of aging such as
temperature and voltage level.
Speichersystemtechnik