Simulationsmodelle für Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ionen-Zellen) sind für die Entwicklung neuer Batteriesysteme von entscheidender Bedeutung. Sie werden in immer weiteren Einsatzgebieten verwendet, von der Entwicklung der Zellen und Batteriesystemen über die Abschätzung des Gesundheitszustands und Ladezustands bis hin zu Lade- und Betriebsstrategien. Wachsende Anforderungen an die Sicherheit, Energiedichte, Leistungsdichte und dem Preis von Li-Ionen Batteriesystemen erfordern eine immer bessere Vorhersagequalität der Systemdynamik, um optimale Batteriesysteme zu entwerfen.

Zur Ergänzung bestehender Modellansätze, wie die auf physikalischen Erkenntnissen basierenden First-Principle-Modelle, wie z.B. das Newman-Modell, Ersatzschaltbildmodelle und datengetriebene Modelle, wurde im Rahmen der Arbeit ein Ersatzschaltbildmodell mit elektrochemischer Betrachtung entwickelt, um die elektrische und thermische Dynamik von Li-Ionen-Zellen zu simulieren. Bei der Modellentwicklung wurden der Modellierungsaufwand, die notwendige Simulationszeit, der Implementierungsaufwand, die Messtechnik und die Parametrierung betrachtet. Dies erlaubte die Erarbeitung eines fundierten Gesamtkonzepts, das sowohl industriellen als auch wissenschaftlichen Zielen gerecht wird.

Das entwickelte elektrochemische Ersatzschaltbild basiert auf Impedanzmessungen. Im Allgemeinen beschreibt die Impedanz eines elektrochemischen Systems, wie z. B. Li-Ionen-Zellen, den zeitabhängigen elektrischen Widerstand im Frequenzbereich und ermöglicht einen tieferen Einblick in die Systemdynamik. Die Impedanz ist der Quotient aus Spannung und Strom. Sie wird typischerweise bei einer Stromanregung des elektrochemischen Systems verwendet, um die Spannungsantwort und die irreversible Wärmefreisetzung zu simulieren. Um die Temperaturverteilung und den geometrischen Einfluss der Zellkomponenten zu berücksichtigen, wurde ein thermisches Modell aufgebaut, welches mit dem elektrischen Modell gekoppelt ist. Das thermische Modell wurde hierbei ebenfalls als Ersatzschaldbildmodell realisiert. Neben der irreversiblen wird auch die reversible Wärme modelliert, um die Zelldynamik zu reproduzieren. Weiter beschreibt das elektrische Zellmodell die Leerlaufspannung.

Es wurden geeignete Messmethoden, Messsysteme und Algorithmen entworfen, um die elektrischen und thermischen Modellparameter und elektrochemischen Prozesse zu identifizieren. Beispielsweise wurde für die Vermessung der reversiblen Wärme eine neue kalorimetrische Messmethode basierend auf Doppelpulsmessungen etabliert. Für eine schnelle und zuverlässige Modellerstellung wurde eine automatisierte Parameteridentifikation entwickelt. Hierzu wurde ein Messsystem entworfen, das automatisiert Impedanzmessungen für Li-Ionen-Zellen mit großen und kleinen Signalen mit hoher Genauigkeit im relevanten Frequenzbereich durchführt. Um geeignete Startparameter für die Parameteridentifikation zu ermitteln, wurde ein generisches Zellmodell formuliert.

Zur Validierung der Zellmodelle wurden Simulationen, die praxisrelevanten Frage- und Problemstellungen nachempfunden sind, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das zellspezifisch parametrierte Modell die Zelldynamik über einen weiten Betriebsbereich reproduzieren kann. Hingegen zeigte das generische Modell bei tiefen Temperaturen und hohen Strömen größere Fehler.

Das entwickelte Zellmodell ermöglicht dynamische Zeitbereichs- und Frequenzbereichssimulationen der relevanten elektrischen und thermischen Größen. Durch die Möglichkeit die Interaktionen zwischen zusammengeschalten Zellen abzubilden und der hierbei schnellen Rechenzeit, eignet sich das Modell für die Simulation von Batteriesystemen, wodurch Optimierungen des Gesamtsystems möglich werden. Zudem kann das Modell im Batterie-Management-System verwendet werden, um den Ladezustand, die Alterung, den Innenwiderstand, den Energieinhalt und die Leerlaufspannung zu schätzen. Dies ist möglich, da das Modell die Leerlaufspannungshysterese, Übergangskurven zwischen Lade und Entladerichtung sowie Relaxationsprozesse abbildet. Weiter kann das Modell bei der Entwicklung optimaler Betriebsstrategien eingesetzt werden, um beispielsweise den Wirkungsgrad, nutzbare Energiemenge und die Lebensdauer zu erhöhen. Die Simulation der Zellimpedanz im Frequenzbereich wird bei der Entwicklung der Ladetechnik und der Elektronik benötigt. Darüber hinaus kann das Modell bei der Zellentwicklung einsetzt werden, um Ergebnisse von Experimentalzellebene auf großformatigen Zellen zu extrapolieren. Bereits in frühen Batterieentwicklungsphasen sind Abschätzungen zur Zelldynamik erforderlich, die mittels des generischen Modells simuliert werden können. Weiter kann das Model in angepasster Form in Stromnetzteilen verwendet werden, um die Dynamiken einer Batterie nachzubilden. Diese Stromnetzteile werden benötigt, um bereits in frühen Entwicklungsphasen Systemkomponenten zu valideren. Weitere Anwendungsfälle des Modells sind die Simulation der Temperaturverteilung und dessen Dynamik innerhalb der Batterie und der Zelle, wodurch beispielsweise Kühl- und Schnellladekonzepte bewertet werden können.