Entwicklung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells und Validierung der linearen Schadensakkumulationshypothese für NMC/Graphit Lithium-Ionen Zellen

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• Verlag: Cuvillier Verlag
• Jahr: 2021
• ISBN drucken: 9783736975330
• eBook-ISBN: 9783736965331
• Auflage: 1

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells für Lithiumionenzellen mittels linearer Schadensakkumulation am Beispiel von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Zellen mit Graphitanode. Es wird der Unterschied zwischen Alterungsuntersuchungen und Lebensdauerprognose thematisiert. Als Kriterium für das Lebensdauerende der Zellen wird eine Kapazitätsabnahme um 30 % bzw. Innenwiderstandszunahme um 200 % verwendet. Versuche mit unterschiedlichen Entladeströmen und Zyklentiefen haben gezeigt, dass das Lebensdauerende unter der Annahme der Additivität des Lebensdauerverlusts pro Ereignis bzw. Zyklus bestimmt werden kann. Das Lebensdauerprognosemodell kann genutzt werden, um mit Hilfe synthetischer Lastprofile einen beschleunigten Lebensdauertest zu definieren und die Restlebensdauer bei Second-Life-Konzepten abzuschätzen.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
• 1.1 Motivation
• 1.2 Gliederung
• 2 Grundlagen der Alterung und Charakterisierung von Lithiumionenzellen
• 2.1 LithiumionenzellenAllgemeine Information zur Lithiumionenzelle
• 2.2 Aufbau und Funktionsprinzip einer Lithiumionenzelle
• 2.3 Alterungsmechanismen der Lithiumionenzelle
• 2.4 Zusammenfassung der Alterungsmechanismen von Lithiumionenzellenund Beschreibung von unterschiedlichen Prozessen der Kapazitäts- undInnenwiderstandsänderungen.
• 2.5 Beschreibung der Kapazitätsabnahme und der Innenwiderstandszunahmedurch "State of Health" (SOH) oder Gesundheitszustand von Lithiumionenzellen
• 2.6 Bestimmung der Kapazität von Lithiumionenzellen zur Ermittlung desAlterungszustands 􀡿􀡻􀡴􀡯
• 2.6 Ruhespannung einer Zelle in Abhängigkeit vom Ladezustand
• 2.8 Bestimmung des Widerstands von Lithiumionenzellen zur Ermittlungdes Alterungszustands SOHR
• 2.9 Einfluss der Ladeverfahren auf die Alterung der Lithiumionenzellen
• 2.10 Zusammenfassung der Betriebsparameter auf die Alterungsprozessevon Lithiumionenzellen
• 3 Unterschied zwischen Lebensdauerprognose und Alterungsuntersuchungen
• Methode zur Festlegung des Lebensdauerendes
• Allgemeine Betrachtung von Lebensdauerprognose und Alterungsuntersuchungen
• Verfahren zur Untersuchung der Alterung bei Lithiumionenzellen unterBerücksichtigung von Anwendungsbereichen
• Verfahren zur Durchführung einer Lebensdauerprognose
• Zusammenfassung der Methoden zur Untersuchung der Lebensdauervon Lithiumionenzellen
• 4 Einführung zu Lebensdauerabschätzungsverfahren der Betriebsfestigkeitund deren Anpassung an die Batterietechnologie
• 4.1 Analogien zwischen technischer Mechanik und Elektrochemie
• 4.2 Wöhlerkurve und Definition von Referenzmatrizen
• 4.3 Definition und Ermittlung von Lastkollektiven
• 4.4 Lebensdauer-Modell von mechanischen Bauteilen durch Nennspannungskonzept
• 4.5 Lebensdauer-Modell von mechanischen Bauteilen durch bruchmechanisches Konzept
• 5 Stand der Technik von Lebensdauerprognosen bei Batterien
• 5.1 Amperestunden-Durchsatz Methode
• 5.2 Stand der Wissenschaft über die ereignisbasierten Modelle zur Lebensdauerabschätzungvon Batterien
• 6 Methode zur Durchführung von Lebensdauerprognosen anLithiumionenzellen durch das ereignisbasierte Modell
• 6.1 Beschreibung des neuen Ansatzes zur ereignisbasierten Methode zur Lebensdauerabschätzungvon Lithiumionenzellen
• 6.2 Definition von Referenzmatrizen zur Anwendung in einer Batterie
• 6.3 Kriterien zur Identifizierung von Ereignissen am Beispiel von Daten auseinem Elektro-Auto mit Lithiumbatterien
• 6.4 Definition und Ermittlung von Lastkollektiven unter Anwendung in denBatteriesystemen
• 6.5 Durchführung einer Schädigungsanalyse und Lebensdauerbestimmungnach der ereignisbasierten Methode
• 7 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung zur Untersuchungder Lebensdauerprognose-Methode
• 7.1 Auswahl der zu untersuchenden Lithiumionenzelle für diese Arbeit
• 7.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus und des Prüfstands
• 7.3 Versuchsdurchführung
• 7.4 Darstellung der Ergebnisse der Untersuchung der Bereiche der Prüfmatrix
• 7.5 Klärung der Linearitätshypothese zur Addition der Belastungen am Beispielvon Lithiumionenzelle
• 7.6 Einführung eines Lebensdauerfaktors
• 7.7 Lebensdauerfaktor in Bezug auf die Lebensdauerverluste von Lithiumionenzellenbei Monobelastung
• 7.8 Validierung des Ansatzes zur ereignisbasierten Methode
• 8 Beschleunigte Alterung und synthetische Belastungsfunktionen
• 8.1 Stand der Technik zur beschleunigten Alterungsuntersuchung von Lithiumionenbatterie
• 8.2 Verfahren zur Ermittlung von gewichteten Schädigungsfaktoren undzum Generieren von synthetischen Lastprofilen
• 8.3 Experimentelle Erprobung des Verfahrens zur beschleunigten Alterungsuntersuchung.
• 9 Anwendung des ereignisbasierten Modells zur Verlängerungder Lebensdauer einer Lithiumionenzelle
• 9.1 Versuchsdurchführung zur Untersuchung des Second-Life-Konzepts
• 9.2 Anwendung des ereignisbasierten Modells im Batterie Management System(BMS)
• 10 Zusammenfassung und Ausblick
• 11 Literaturverzeichnis
• 12 Abkürzungsverzeichnis
• 13 Formelverzeichnis
• A Verfahren zur Charakterisierung und Parametrierung vonLithiumionenzellen
• B Angabe zum Kapitel 4
• C Angabe zur Versuchsdurchführung
• D Angabe zum Kapitel 8