Lithium-Ionen-Systeme werden in einer Vielzahl von mobilen und stationären Anwendungen kurz- und mittelfristig die Speichertechnologie erster Wahl sein, da sie allen übrigen Technologien in Bezug auf Leistungs- und Energiedichte überlegen sind. Ihrer elektrischen und thermischen Modellbildung und der Simulation ihrer Performance über komplette Lebenszyklen kommt in Forschung und Entwicklung neuer Lithium-Ionen-Zellen und -Batteriesystemen eine gewichtige Rolle zu. In dieser Arbeit wird der neuartige Ansatz eines ortsaufgelösten Lebensdauermodells für Lithium-Ionen-Systeme entwickelt, der neben der Abbildung des elektrischen und thermischen Verhaltens zu jedem Punkt über der Lebensdauer auch detaillierte Lebensdauerprognosen abhängig von Betriebsszenario und Kühlstrategie ermöglicht. Die Abbildung über einen impedanzbasierten, auf einem nicht-linearen Ersatzschaltbild fußenden Modellansatz stellt die Basis des ortsaufgelösten elektrischen Modells dar. Dessen Realisierung gelingt über die Beschreibung der gesamten Zelle durch ein ortsaufgelöstes elektrisches Netzwerk und dessen mathematische Beschreibung über Verfahren der elektrotechnischen Netzwerkanalyse. Zentrale Idee des Modells ist die Unterteilung des Speichers in finite Volumenelemente - klein im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Speichers, groß im Verhältnis zu den Oberflächenstrukturen der Elektroden - die über resistive Netzwerke der positiven und negativen Stromableiter miteinander verknüpft sind. Jedes Volumenelement verfügt über eine unter Berücksichtigung der herrschenden Volumen- bzw. Kapazitätsverhältnisse aus der Zellimpedanz skalierte Impedanz sowie eine Spannungsquelle als Repräsentant für sein lokales Potential. Über den so gewählten Modellansatz lassen sich Stromdichte- und Wärmegenerationsverteilungen innerhalb von Zellen verschiedener Geometrie und Dimensionen berechnen. Durch bidirektionale Interaktion mit einem thermischen Wärmeverteilungsmodell - hier realisiert fußend auf der Finite-Differenzen-Methode - wird es möglich, das thermische und elektrische Verhalten der betrachteten Systeme für verschiedenste Betriebs- und Kühlstrategien detailliert abzubilden und so für Belange der Zelldegradation zu jedem Zeitpunkt der Lebensdauer eine ortsaufgelöste Verteilung der sie beeinflussenden Stresskomponenten bereitzustellen. Nutzen und Einsatzbereiche des neuen ortsaufgelösten Modellansatzes werden in verschiedenen Simulationsreihen verdeutlicht und diskutiert: Ortsaufgelöste thermisch-elektrische Simulationen bilden das Verhalten des Speichers bei verschiedenen Kühlstrategien ab und zeigen die bidirektionale Wechselwirkung inhomogen erscheinender Temperaturverteilungen auf Strom- und Wärmegenerationsverteilung. Eine Erweiterung auf komplette Lebenszyklen eines Speichers, zur Abbildung von Batteriealterung kommt ein auf umfangreichen Messungen basierender semi-empirischer Ansatz zur Anwendung, zeigt die Auswirkungen thermischer und elektrischer Inhomogenitäten auf Performance und Degradation über der Lebensdauer. Ungleichmäßige thermische und elektrische Verteilungen führen direkt zu einer ungleichmäßigen Alterung innerhalb der Aktivmasse, die sich deutlich über ein Auseinanderlaufen von Kapazitäts- und Widerstandsänderungen in den einzelnen Bereichen des Speichers äußert. Lebensdauerprognosen zeigen für verschiedene Kühlstrategien eine mitunter ineffiziente Ausnutzung des Elektrodenwickels über die Lebensdauer. Ein abschließender Vergleich diskutiert die Unterschiede zwischen ortsaufgelöster und konventioneller (konzentrierter) Lebensdauersimulation. Hierbei stellen sich aufgrund der feineren Bewertung elektrischer und thermischer Stressfaktoren im ortsaufgelösten Fall dezidiertere Lebensdauerschätzungen ein. Modular im Aufbau und allgemein im Ansatz, ermöglicht das vorgestellte Modell die Adaption auf weitere Zellgeometrien und Speichertechnologien.

Schlagwörter: Lithium-Ionen; elektrisches Batteriemodell; thermisches Batteriemodell; Alterung; Lebensdauermodell; ortsaufgelöste Modellbildung

Aachener Beiträge des ISEA