Post on 02-Nov-2019
transcript
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.iam.kit.edu/wet
Thermische Modelle für Lithium -Ionen Batterien
André Weber
Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffe der Elektrotechnik IAM-WETAdenauerring 20b, Geb. 50.40 (FZU), Raum 314
phone: 0721/608-7572, fax: 0721/608-7492andre.weber@kit.eduwww.iam.kit.edu/wet
Modellbildung elektrochemischer Systeme
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 2, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Motivation
Elektrofahrzeug Reichweitenprädiktion HIL - Antriebsstrang
HIL: Hardware in the LoopSOC: Ladezustand (State of Charge)
onboard
Elektrochemische Zellmodelle heute:nichtlinearrechenintensivParametrierung durch Experten
Gesuchte Zellmodelle:linearechtzeitfähigautomatisierbare Parametrierung
Kopplung:+ thermisch+ elektrochemisch
Reduktion der MessparameterI
T
SOC
Arbeitspunkte einer Li-Ionen Zelle
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 3, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Thermische Modelle für Lithium-Ionen Batterien
http://www.daimler.com
Temperaturabhängigkeitder Elektrochemie
Ansprüche an Lithium-Ionen Batterien:� große Leistungen� kurze Ladezeiten
Thermisches Modell zur Temperaturprädiktion
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 4, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Thermische Modelle für Lithium-Ionen Batterien
www.daimler.com, www.varta.de, www.gaia-akku.com
Problemstellung – Bauformen von Li-Ionen Batterien
Pouch Zellen BatteriestacksPrismatische ZellenRundzellen
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 5, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wetIAM-WET
Verhaltensbeschreibung Prozessbeschreibung Temperaturverteilung
Implementierbarkeit Erkenntnisgewinn
Systemidentifikation � Verhaltensmodelle Analytische Temperaturmodelle
Aufwand geringer Aufwand hoch
Thermische Modelle für Lithium-Ionen Batterien
Anforderungen an Temperaturmodelle
qin(t)
C1 TB(t)R1
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 6, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Grundlagen zur Thermischen Modellierung
IAM-WET
)())(( tsourceTgraddivt
Tcp +=
∂∂ λδ
Wärmeleitung:
3D
Wärmestrahlung:
( )4 412 12 1 2Sq A C T T= ⋅ ⋅ −
C12: Strahlungsaustauschzahl
Konvektion:
1( )k kq A T Tα ∞= ⋅ ⋅ −αk: Konvektionskoeffizient
�
�
�
Wärmeübertragungsarten im Festkörper an einer Oberfläche
�
�
�� Konvektion
� Wärmestrahlung
� Wärmeleitung
1D2
2( )p
T Tc source t
t xρ λ∂ ∂= +
∂ ∂
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 7, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Grundlagen zur thermischen Modellierung
IAM-WET
Wärmeleitung im Festkörper
Wärmeleitungsgleichung:
Analytische Lösung schwierig� dreidimensional� nicht stationär� Wärmeleitung inhomogen, anisotrop
� FEM-Modelle(langsam aber hochauflösend)
� Ausnutzung der elektro-thermischen Analogie => Ersatzschaltbilder (Auflösung begrenzt aber schnell und anschaulich)
)())(( tsourceTgraddivt
Tcp +=
∂∂ λδ
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 8, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Grundlagen zur thermischen Modellierung
IAM-WET
Elektro-thermische Analogie nach Beuken
Alle Gleichungen zur Beschreibung von elektrischen Netzen können entsprechend angewandt werden.
Elektrische Größen Thermisches Größen
Spannung U Temperatur T
Strom I Wärmestrom q
Kapazität Cel Wärmekapazität Cth
Widerstand Rel Wärmewiderstand Rth
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 9, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Grundlagen zur thermischen Modellierung
IAM-WET
th pC c Vδ= ⋅ ⋅
d
T1
T2
T1Rth
Cth
T2
q A: Wandquerschnittsflächeλ: Wärmeleitfähigkeit
δ: Dichtecp: spezifische WärmekapazitätV: Volumen
Thermisches Ersatzschaltbild einer dünnen Wand
StationärerTemperaturverlauf
1 2th
T TdR
A qλ−= =
⋅
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 10, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Grundlagen zur thermischen Modellierung
IAM-WET
Konvektion und Wärmestrahlung
Strahlungsaustauschzahl C12:� Annahme:
� Emissionsgrade ε1, ε2 ???
12
1
1 2 2
1 11
CA
A
σ
ε ε
=
+ ⋅ −
σ: Bolzmannkonstante
qS12 qS12
qk
qk
Oberfläche
Gehäuse
T1
T2
T2T2
Konvektionskoeffizient αk:� unterschiedliche Nährungslösungen
abhängig von Fluid, Temperatur, Lage auf der Oberfläche vorhanden
� gute Nährungsgleichungen für vertikale Oberflächen aus Literatur
1 2( )k kq A T Tα= ⋅ ⋅ −
( )4 412 12 1 2Sq A C T T= ⋅ ⋅ −
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 11, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Grundlagen zur thermischen Modellierung
IAM-WET
2nn
n
T TR
q
−=
Konvektion und Wärmestrahlung1 2( )k kq A T Tα= ⋅ ⋅ − ( )4 4
12 12 1 2Sq A C T T= ⋅ ⋅ −
Modellierung� Stückweise lineares thermisches
Ersatzschaltbild
qS12 qS12
qk
qk
Oberfläche
Gehäuse
T1
T2
T2T2
qk qS12
4 42 2 12 2( ) ( ) ( )n k n n nq A T T T T A C T Tα= ⋅ − ⋅ − + ⋅ ⋅ −
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 12, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Analytisches thermisches Modell
IAM-WET
Erstellung von analytischen Temperaturmodellen
Geometrie von Batterie und Schichtenstapel
Graphische Analyse von Mikroskopaufnahmen
Materialbestimmung
ParametrierungLiteraturrecherche,Kalorimetrische Messungen,…
DatenblattrechercheREM / EDX
Methoden FEM Ersatzschaltbild
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 13, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Analytisches thermisches Modell
IAM-WET
2D PLECS Modell einer Pouch-Zelle mittels elektro-thermischer Analogie
∆T∆T
∆T
Elektrodenstapel
Stromableiter
Läng
sric
htun
g
cell_2cell_left cell_right
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_1cell_left cell_right
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
R1 R2 T_back VV T_front
A q_out_Ni1 q_out_Al1 A
A
q_out_conv
V_dc2V_dc3
R_al_conn R_al_conn1
Sub
T_Cond2
T_Cond1 q_in
Sub1
T_Cond1
T_Cond2
q_in
cell_3cell_left cell_right
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_5cell_left cell_right
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_6cell_left cell_right
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_4cell_left cell_right
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
T_mid
cell_7cell_left
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_right
cell_8cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_9cell_left cell_right
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b
cell_a_b
q_incell_out_c_b1
cell_10cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
q_in
cell_a_b
cell_11cell_left cell_right
cell_out_c_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_12cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_13cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_14cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
T_mid
cell_15cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_16cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_17cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_18cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_19cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_20cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
cell_21cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b1
T_mid
cell_22cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_23cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_24cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_25cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_26cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_out_c_b1
cell_27cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_28cell_left cell_right
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
T_mid
R3
V_dc4
R4
V_dc5
R5
V_dc6
R6
V_dc7
R7
V_dc8
R8
V_dc9
VT_back1
VT_back2
VT_back3
V T_front1
V T_front2
V T_front3
R_al_s
R_al_s1
R_al_s2 R_al_s3
R_al_s4
R_al_s5
Pouch-Zelle
Al
Ni
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 14, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Temperatur- und Wärmestrommessung an Lithium-Ionen Batterien
IAM-WET
Wärmestrommessung
Anforderungen an die Temperatursensoren
� � Messung der Temperaturdifferenz ΔT an bekanntem thermischen Widerstand Rth
� geringe Streuung� hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit� geringer stationärer Messfehler� große Dynamik � schnelle Ansprechzeiten und/oder bekannte Übertragungsfunktion
Mantelthermoelemente an externer Referenz + Kalibrierung
th
Tq
R
∆=
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 15, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Temperatur- und Wärmestrommessung an Lithium-Ionen Batterien
IAM-WET
R0: f ≈ 20 kHz
Temperaturabhängigkeit von R0
� Temperaturmessung durch R0-Bestimmung� kein Temperatursensor erforderlich
� SOC Abhängigkeit der R0(T) Kurve� Messbereichsumschaltungen beeinträchtigen
Qualität der Messwerte
T↓T↑
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 16, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
battery system modeltemperature
heat generation
electrochemicalmodel
thermal model
UI Tamb
ageing temperature dependent
performance temperature dependent
plating at low temperatures
Battery behavior determined by temperature:
Goal: Temperature Control and Monitoring
Thermal Impedance Model:
easy implementation
fast calculation
dynamic and stationary behavior
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 17, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Analogies
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
thermal quantity electrical quantity
temperature T potential U
heat flow q current I
thermal capacity Cth capacitance Cel
heat resistance Rth resistance Rel
M. Jakob. In: Heat Transfer vol. 1 , McGraw-Hill, New York (1949).
Electrothermal Analogy
R1
Cth
Tambq R2
compare C. Forgez et al., Journal of Power Sources 195 (2010)
thermal impedance
Zth
measure viaelectrothermal
impedancespectroscopy
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 18, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
measure thermal impedances:
with common available instrumentation
without opening the cell
without model assumptions
Time-Domain Method
Frequency-Domain Method
|Z|
[K /
W]
f [Hz]
R1
Cth
q
use thermal impedances:
deduce model structure
validate models
parameterize models
ETIS as basis for a (spatially resolved) thermal im pedance model
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 19, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Excitation Signal
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Re(Z) [Ω] -
Im(Z
) [Ω
]
17 kHz
change of entropy
R0
R0
current i(t) heat flow q(t)heat generation
typical electrochemical impedance spectrum
no model,
no assumptions
to calculate the heat flow q(t)!
Varta PoLiFlex Battery PLF 263341
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 20, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Test Setup
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
Data Acquisition UnitAgilent 34970A
Function GeneratorAgilent 33250A
GalvanostatSolartron SI1287
Digital OscilloscopeAgilent MSO6014A
digital signal
analog signal
T
U,I
surfacethermocouple
Matlab P
CU
,I �� ��F
FT
�� ��R
0
IA
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 21, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
temperature responseon surface of cell
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Time-Domain Method - Scheme
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
sinusoidal currentf ≈ 17 kHz
generated heat flow
sinusoidal overpotential
-101
i(t)
[A]
Δu(
t) [m
V]
-200
20
R0(t)
q(t)
[W]
0
0.5
1
1.5
0 200 400 600 800 1000 120023
23.223.423.623.8
24
T(t
) [K
]
t [s]
mea
sure
mea
sure
calc
ulat
em
easu
re
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 22, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Time-Domain Method - Measurement
compare E. Barsoukov, J.H. Jang, H. Lee, Journal of Power Sources 109 (2) (2002) 313–320
generated heat flow (calculated) Modified Fourier Transformation
10-4 10-3 10-2 10-1f [Hz]
0
5
10
15
20
25
30
|Z|
[K /
W]
time-domain measurement
magnitude of thermal impedance
complex mathematical transformationno model assumptionsparameterize thermal model
0 500 1000 1500 20000
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
t [s]
q [W
]
1750 1800 1850 1900 1950
0.1142
0.1144
0.1146
measured surface temperature
0 500 1000 1500 200022
22.5
23
23.5
24
24.5
t [s]
T [°
C]
Measurement 1Measurement 2Measurement 3Measurement 4Measurement 5Measurement 6
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 23, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Frequency-Domain Method - Scheme
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
amplitude modulated currentfi ≈ 17 kHz
generated heat flow
Pertuberation and Response
temperature responseon surface of cell
-3-2-10123
i(t)
[A]
0
0.5
1
1.5
2q(
t) [W
]
0 1000 2000 3000 4000 5000 600023
23.5
24
24.5
25
T(t
) [°
C]
t [s]
mea
sure
calc
ulat
em
easu
re
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 24, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Frequency-Domain Method - Measurement
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000t / s
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Δq
[W]
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
ΔT
[K
]
fq = 0.43 mHz, IAmp = 1.3A
Frequency-Domain Method
magnitude of thermal impedance
0
5
10
15
20
25
30
|Z|
[K /
W]
10-4 10-3 10-2 10-1f [Hz]
time-domain measurementfrequency-domain measurement
Calculation of Zth
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 25, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Comparison of Model and Measurement
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
10-4 10-3 10-2 10-1
f [Hz]
0
5
10
15
20
25
30
|Z| [
K /
W] 2D model
time-domain measurement
frequency-domain measurement
RC-model
RC-Model validated
parameterize model by fitting
determine core temperature of cell
optimize temperature control
simulate cooling system
R1
Cth
Tambq R2
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 26, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Space resolved Measurements
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz and E. Ivers-Tiffée, J. Power Sources 196, pp. 8140-8146 (2011).
Data Acquisition UnitAgilent 34970A
Function GeneratorAgilent 33250A
GalvanostatSolartron SI1287
Digital OscilloscopeAgilent MSO6014A
digital signal
analog signal
T
U,I
IA
Matlab P
CU
,I �� ��F
FT
�� ��R
0
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 -Thermische Modelle.pptx, Folie: 27, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Electrothermal Impedance Spectroscopy (ETIS)Detailed Thermal Model
IAM-WET, J. P. Schmidt, D. Manka, D. Klotz andE. Ivers-Tiffée, J. Power Sources196, pp. 8140-8146 (2011).
cell_2
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_1
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
R1
R2
T_back
VV
T_fro
nt
Aq_out_Ni1
q_out_Al1
A
A
q_out_conv
V_dc2
V_dc3
R_al_conn
R_al_conn1
Sub
T_Cond2
T_Cond1
q_in
Sub1
T_Cond1
T_Cond2
q_in
cell_3
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_5
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_6
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_4
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
T_mid
cell_7
cell_left
cell_out_cath
cell_out_an
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_rig
ht
cell_8
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_9
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_10
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
q_in
cell_a_b
cell_11
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_12
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_13
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_14
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
T_mid
cell_15
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_16
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_17
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_18
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_19
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_20
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
cell_21
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_top
cell_out_a_top
cell_out_c_top1cell_out_c_b1
T_mid
cell_22
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_23
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_24
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_25
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_26
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
cell_out_c_b1
cell_27
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_28
cell_left
cell_rig
ht
cell_out_c_b
cell_a_b
q_in
cell_out_c_b1
T_mid
R3
V_dc4
R4
V_dc5
R5
V_dc6
R6
V_dc7
R7
V_dc8
R8
V_dc9
VT_back1
VT_back2
VT_back3
VT_fro
nt1
VT_fro
nt2
VT_fro
nt3
R_al_s
R_al_s1
R_al_s2
R_al_s3
R_al_s4
R_al_s5
2D-M
odel
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 28, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Li-Ionen
Zellmodell
……
Kopplung Elektrochemie - Temperatur
elektrochemisch thermisch
dyna
mis
chst
atis
ch
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 29, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Kopplung Elektrochemie - Temperatur
elektrochemisch thermisch
dyna
mis
chst
atis
ch
ElektrochemischeImpedanzspektroskopie
Pulse-Fitting
interne Temperaturmessung via EIS
ElektrothermischeImpedanz-
spektroskopie
Pulsmessung
Konstantstrommessung
Auswerteverfahren
ΔS via ETIS
ΔS potentiometrisch
……
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 30, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Elektrochemisches Modell
SOC
UO
CV
OCV
DRT
f
g(f)
Icell
SOC
Elektrochemie
Ucell
…
EIS
Re(Z)
Im(Z
)
∫∫∫∫
T = const.
SOC
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 31, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Kapazität: 2Ah
Pouch-Gehäuse
Anode: Graphit
Kathode: NCA-LCO
Klimakammer: 25°C
Vierpunktkontaktierung
Setup Messung
max. Strom ±3,2A
mittlerer Strom -2A
Elektrochemisches Modell
IAM-WET
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 32, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Kapazität: 2Ah
Pouch-Gehäuse
Anode: Graphit
Kathode: NCA-LCO
Klimakammer: 25°C
Vierpunktkontaktierung
Setup Messung
T=25°C
T=38°C
Elektrochemisches Modell
IAM-WET
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 33, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
SOC
UO
CV
OCV
DRT
f
g(f)
Icell
SOC
Elektrochemie
Ucell
…
EIS
Re(Z)Im
(Z)
∫∫∫∫
T
Temperatur
…
qirrev
ETIS
Re(Zth)
Im(Z
th)
SOCΔS
/T
Entropie
qrev
SOC
Elektrochemisch-thermisches Modell
IAM-WET
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 34, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Kapazität: 2Ah
Pouch-Gehäuse
Anode: Graphit
Kathode: NCA-LCO
Klimakammer: 25°C
Vierpunktkontaktierung
Setup Messung
Elektrochemisch-thermische ModellierungValidierung
IAM-WET
Quelle:
Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik
Vorlesung MES 11 - Thermische Modelle.pptx, Folie: 35, 10.07.2018
www.iam.kit.edu/wet
Kapazität: 2Ah
Pouch-Gehäuse
Anode: Graphit
Kathode: NCA-LCO
Klimakammer: 25°C
Vierpunktkontaktierung
Setup Messung
Elektrochemisch-thermische ModellierungValidierung
IAM-WET