DE102009029347A1 - Method for determining charging condition of secondary intercalation cell, involves soaking anode, cathode and separator in electrolyte phase, and incorporating diffusion mechanisms of moving ions in electrochemical simulation model - Google Patents
Method for determining charging condition of secondary intercalation cell, involves soaking anode, cathode and separator in electrolyte phase, and incorporating diffusion mechanisms of moving ions in electrochemical simulation model Download PDFInfo
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer sekundären dualen Interkalationszelle einer wiederaufladbaren Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for determining the state of charge of a secondary dual intercalation cell of a rechargeable battery, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
Sekundäre elektrochemische Zellen, gängig als Akkumulatoren bezeichnet, unterscheiden sich von primären elektrochemischen Zellen durch ihre Wiederaufladbarkeit.Secondary electrochemical cells, commonly referred to as accumulators, differ from primary electrochemical cells in their rechargeability.
In vielen technischen Anwendungen ist es wünschenswert und sogar erforderlich, anhand von außerhalb der Zelle messbarer Größen eine Aussage über den Lade- bzw. Entladezustand insbesondere einer sekundären Zelle zu erhalten.In many technical applications it is desirable and even necessary to obtain information about the charge or discharge state, in particular of a secondary cell, from variables measurable outside the cell.
Zur Ladezustandsbestimmung und -vorhersage von sekundären Zellen werden in der Regel Simulationsmodelle bzw. modellbasierte Ansätze verwendet. Diese umfassen sogenannte Ersatzschaltbildmodelle, welche das elektrische Verhalten einer Zelle bzw. Batterie mit linear-passiven Elementen, wie etwa mit R-, L-, C-Gliedern approximieren sollen. Generell gilt jedoch, dass der auch als State of Charge (SOC) bezeichnete Ladezustand nicht direkt messbar ist.For charge state determination and prediction of secondary cells, simulation models or model-based approaches are generally used. These include so-called equivalent circuit models, which are intended to approximate the electrical behavior of a cell or battery with linear-passive elements, such as R, L, C members. In general, however, the state of charge (SOC) is not directly measurable.
Nach dem Stand der Technik wird der SOC typischerweise als Funktion der Ruhespannung, i. e. der Zell- bzw. Batterieruhespannung ermittelt und/oder aus einer Stromintegration und/oder aus einer Kombination, welche verschiedene Zustandsgrößen, wie beispielsweise den letzten ermittelten SOC, die Zell- bzw. Batterietemperatur, die Zell- bzw. Batterieruhespannung, die Stärke des Zell- bzw. Batteriestroms und dergleichen berücksichtigt.In the prior art, the SOC is typically used as a function of the quiescent voltage, i. e. the battery or battery return voltage and / or from a current integration and / or from a combination, which different state variables, such as the last determined SOC, the cell or battery temperature, the cell or Batteryieresespannung, the strength of the cell or battery currents and the like.
Durch die
In der
Auch durch die
Durch die
Aus der
Nachteilig an den oben angegebenen Verfahren ist, dass deren simple Struktur zur Bestimmung des SOC mit nur wenigen Parametern durch komplexe Abhängigkeiten der Parameter von SOC, Zelltemperatur und Stromstärke erkauft wird. Folglich gelten die Modellrechnungen nur in einem schmalen Betriebsbereich. Zur Abdeckung aller möglichen Betriebszustände müssten demnach mehrere Modellrechnungen, bzw. parametervariante Modellrechnungen angewandt werden. Dies kann zu einer Instabilität des den Modellrechnungen zugrunde liegenden Algorithmus führen, wenn sich die Parameter stark ändern.A disadvantage of the above-mentioned methods is that their simple structure for determining the SOC with only a few parameters is paid for by complex dependencies of the parameters of SOC, cell temperature and current intensity. Consequently, the model calculations apply only in a narrow operating range. Accordingly, to cover all possible operating states, a number of model calculations or model-variant model calculations would have to be applied. This can lead to instability of the algorithm underlying the model calculations if the parameters change greatly.
Des Weiteren ist eine messtechnische Verwirklichung der Stromintegration im Allgemeinen stark fehlerbehaftet, was zu starken Abweichungen in der SOC-Vorhersage bzw. Bestimmung führen kann. Ferner wird die Abhängigkeit der Batteriekapazität von der entnommenen Leistung nicht berücksichtigt.Furthermore, a metrological realization of the current integration is generally very faulty, which can lead to strong deviations in the SOC prediction or determination. Furthermore, the dependency of the battery capacity on the extracted power is not considered.
Darüber hinaus handelt es sich bei den Akkumulatoren, bei denen zur Vorhersage der jeweiligen SOC die oben genannten Verfahren vorgesehen und auch weitgehend geeignet sind, um bis heute z. B. als Fahrzeugstarterbatterien verwendete Bleiakkumulatoren. Diese erfüllen zwar Anforderungen, wie sie zur Verwendung insbesondere für kurzzeitige Anwendungen in Kraftfahrzeugen benötigt werden, z. B. hohe Entladeströme, einfacher Aufbau und kostengünstige Herstellung; sie weisen aber erhebliche Nachteile im Hinblick auf ihre Energiedichte auf.In addition, the accumulators, in which the above-mentioned methods are provided for the prediction of the respective SOC and are also largely suitable to z. B. used as vehicle starter batteries lead acid batteries. Although they meet requirements, such as those required for use in particular for short-term applications in motor vehicles, for. B. high discharge currents, simple construction and cost-effective production; However, they have significant disadvantages in terms of their energy density.
Wesentlich höhere Energiedichten besitzen sogenannte Interkalationszellen, bei denen die elektromotorische Kraft nicht wie z. B. bei Bleiakkumulatoren durch eine chemische Umwandlung des Materials der Elektroden, sondern durch eine Verschiebung von Ionen erzeugt wird.Much higher energy densities have so-called intercalation, in which the electromotive force is not such. B. in lead-acid batteries by a chemical transformation of the material of the electrodes, but is generated by a shift of ions.
Allgemein werden bei der Interkalation Moleküle, Ionen oder Atome in Verbindungen eingelagert, ohne dass die Verbindungen ihre Struktur während des Einlagerungsprozesses wesentlich verändern. Insbesondere in der anorganischen Chemie bezeichnet Interkalation die Einlagerung von Atomen, Ionen oder kleinen Molekülen zwischen die Kristallgitterebenen von Schichtkristallen.In general, molecules, ions or atoms are intercalated into compounds without the compounds significantly changing their structure during the intercalation process. Especially in inorganic chemistry, intercalation refers to the incorporation of atoms, ions or small molecules between the crystal lattice planes of layered crystals.
Bei einer Interkalationszelle wandern während des Ladevorgangs positiv geladene Ionen von der Kathode durch einen Elektrolyten hindurch zwischen die Kristallgitterebenen der vorzugsweise aus einem porösen Material, z. B. aus einem porösen Schichtkristallmaterial, bestehenden Anode, während der Ladestrom die Elektronen über den äußeren Stromkreis liefert. Die Ionen bilden mit dem Material der Anode so genannte Interkalationskomplexe. Beim Entladen wandern die Ionen durch den Elektrolyten zurück in das Metalloxid der Kathode und die Elektronen können über den äußeren Stromkreis zur Kathode fließen. Duale sekundäre Interkalationszellen weisen sowohl anodenseitig, als auch kathodenseitig poröse Interkalationselektroden aus einem porösen Material auf.In an intercalation cell, during the charging process, positively charged ions migrate from the cathode through an electrolyte between the crystal lattice planes, preferably made of a porous material, e.g. B. from a porous layer crystal material, existing anode, while the charging current supplies the electrons via the external circuit. The ions form so-called intercalation complexes with the material of the anode. During discharge, the ions migrate back through the electrolyte into the metal oxide of the cathode and the electrons can flow to the cathode via the external circuit. Dual secondary intercalation cells have porous intercalation electrodes of a porous material both on the anode side and on the cathode side.
Ein für sich gesehen bekanntes Beispiel für eine Interkalationszelle ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator sowie dessen Weiterentwicklungen wie z. B. ein Lithium-Polymer-Akkumulator, ein Lithium-Titanat-Akkumulator, eine Super Charge Ion Battery (SCiB), ein Lithium-Mangan-Akkumulator oder ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator.A well-known example of an intercalation cell is a lithium-ion battery and its advancements such. As a lithium polymer battery, a lithium titanate battery, a super charge Ion Battery (SCiB), a lithium-manganese battery or a lithium-iron-phosphate battery.
Bei einer Interkalationszelle gestaltet sich die Bestimmung des Ladezustandes bzw. des SOC wesentlich schwieriger als z. B. bei einem herkömmlichen Bleiakkumulator, da die Interkalation eine räumliche Verteilung ausbildet, die ein zugrunde legbares Simulationsmodell maßgeblich beeinflusst.In an intercalation cell, the determination of the state of charge or of the SOC is much more difficult than z. As in a conventional lead-acid battery, since the intercalation forms a spatial distribution that significantly influences an underlying simulation model.
Ein auch für Interkalationszellen verwendbarer alternativer Ansatz zur Bestimmung des SOC ist die Modellierung mittels der zu Grunde liegenden physikalischen und/oder chemischen Effekte in der Zelle. Es wird in diesem Zusammenhang von einem elektrochemischen Simulationsmodell gesprochen.An alternative approach for determining the SOC which can also be used for intercalation cells is the modeling by means of the underlying physical and / or chemical effects in the cell. In this context, we speak of an electrochemical simulation model.
Durch
Diese elektrochemischen Simulationsmodelle erlauben die Berechnung bzw. Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Effekte:
- – Diffusion von Lithium-Ionen Li+ innerhalb der Partikel
02 ,04 zur Grenzfläche der aktiven Partikel02 ,04 zumElektrolyt 10 , - – Diffusion von Lithium-Ionen Li+ in der
Elektrolytphase 10 zwischen denElektroden 11 ,12 , - – Ohm'sches Gesetz für das Potenzial in der
Elektrolytphase 10 , - – Ohm'sches Gesetz für das Potenzial im aktiven Elektrodenmaterial
02 ,04 derElektroden 11 ,12 , - – Strombilanz in der
Elektrolytphase 10 , sowie - – Butler-Volmer-Reaktionskinetik für den Ladungsdurchtritt durch die Grenzschicht zwischen den aktiven Partikeln und dem Elektrolyt.
- - Diffusion of lithium-ion Li + within the particles
02 .04 to the interface of the active particles02 .04 to theelectrolyte 10 . - - Diffusion of lithium ions Li + in the
electrolyte phase 10 between theelectrodes 11 .12 . - - Ohm's law for the potential in the
electrolyte phase 10 . - - Ohm's law for the potential in the active electrode material
02 .04 theelectrodes 11 .12 . - - Current balance in the
electrolyte phase 10 , such as - - Butler-Volmer reaction kinetics for the passage of charge through the boundary layer between the active particles and the electrolyte.
Diese Simulationsmodelle gehören zur der Klasse der sogenannten verteilten Systeme, da sie eine lokale Variation von Zustandsgrößen über den in
Aus regelungstechnischer Sicht ist bei den Simulationsmodellen der schematisch durch die Pfeile
Vorteile dieser verteilte Systeme bildenden elektrochemischen Simulationsmodelle sind eine akkurate Wiedergabe des Zellverhaltens, eine Berücksichtigung einer leistungsabhängigen Kapazität sowie einer physikalischen Berechnung des SOC aus der Lithium-Ionen Konzentration im aktiven Elektrodenmaterial.Advantages of these distributed systems forming electrochemical simulation models are an accurate reproduction of the cell behavior, a consideration of a power-dependent capacity as well as a physical calculation of the SOC from the lithium-ion concentration in the active electrode material.
Nachteile dieser verteilte Systeme bildenden elektrochemischen Simulationsmodelle sind eine hohe Anzahl an Parametern (über 50 Parameter), ein einer Echtzeitfähigkeit entgegenstehender enorm hoher Rechenaufwand sowie eine unvorteilhafte numerische Konditionierung. Darüber hinaus sind die den verteilten elektrochemischen Simulationsmodelle zugrunde liegenden Vorgänge in praktischen Anwendungen, wo nur Strom, Spannung und Temperatur messbar sind, nicht beobachtbar.Disadvantages of these distributed systems forming electrochemical simulation models are a large number of parameters (over 50 parameters), a huge amount of computational complexity and a disadvantageous numerical conditioning. Moreover, the processes underlying the distributed electrochemical simulation models are not observable in practical applications where only current, voltage and temperature are measurable.
Durch
Genauer wird beim Single-Particle-Modell jede poröse Elektrode vereinfacht als ein einziges in die Elektrolytphase getauchtes kugelförmiges Partikel betrachtet, dessen Oberfläche mittels eines Formfaktors und dem Elektrodenvolumen unter Berücksichtigung der Porosität auf die gesamte Elektrode hochgerechnet wird. Zur akkuraten Beschreibung des Materialtransports bzw. der Diffusion der Lithium-Ionen besitzt das repräsentative kugelförmige Partikel den gleichen Radius wie jene des verteilten Modells. Darüber hinaus werden beim Single-Particle-Modell Konzentrations- und Potenzialänderungen in der Elektrolytphase nicht beachtet. Außerdem werden alle Parameter konstant gehalten und thermische Einflüsse vernachlässigt. Die Lithium-Konzentration in der Anode und in der Kathode wird anhand der Lithium-Konzentration an der Oberfläche des jeweiligen kugelförmigen Partikels und der durchschnittlichen Konzentration innerhalb des kugelförmigen Partikels bestimmt. Die Butler-Volmer-Reaktionskinetik wird jeweils für die Oberflächen der die Anode und die Kathode bildenden kugelförmigen Partikel angewandt.More specifically, in the single-particle model, each porous electrode is simplified as a single spherical particle immersed in the electrolyte phase, the surface of which is extrapolated to the entire electrode by taking into account the porosity by means of a shape factor and the electrode volume. For the accurate description of the material transport or diffusion of the lithium ions, the representative spherical particle has the same radius as that of the distributed model. In addition, in the single-particle model, concentration and potential changes in the electrolyte phase is ignored. In addition, all parameters are kept constant and thermal influences neglected. The lithium concentration in the anode and in the cathode is determined by the lithium concentration at the surface of each spherical particle and the average concentration within the spherical particle. Butler-Volmer reaction kinetics are used for the surfaces of the spherical particles forming the anode and the cathode, respectively.
Ausgehend von einem verteilten System reduziert sich ein dadurch gebildetes Simulationsmodell damit im Wesentlichen auf die elektrochemischen Effekte:
- – Butler-Volmer-Reaktionskinetik für den Ladungsdurchtritt durch die Grenzschicht zwischen den beiden die Elektroden bildenden kugelförmigen Partikeln und der sie umgebenden Elektrolytphase sowie
- – Diffusion von Lithium-Ionen in den durch jeweils ein kugelförmiges Partikel gebildeten bzw. als solche angenommenen Elektroden.
- Butler-Volmer reaction kinetics for the passage of charge through the boundary layer between the two spherical particles forming the electrodes and the electrolyte phase surrounding them, and
- - Diffusion of lithium ions in each formed by a spherical particle or assumed as such electrodes.
Der SOC ergibt sich hierbei physikalisch aus der Konzentration der Lithium-Ionen in den beiden als homogen betrachteten, auch als Elektrodenpartikel bezeichenbaren Elektroden.The SOC results physically from the concentration of the lithium ions in the two electrodes, which are regarded as homogeneous and can also be labeled as electrode particles.
Beim Single-Particle-Modell handelt es sich um ein so genanntes Lumped Parameter System, dessen Kerneigenschaft es ist, örtlich verteilte Systemzustände zu mitteln. Sich hieraus ergebende Vorteile sind, dass dadurch die räumliche Diskretisierung entfällt und nur noch fünf bis sechs dynamische Gleichungen pro Zeitschritt zu lösen bleiben, wodurch das Single-Particle-Modell echtzeitfähig ist, d. h. prinzipiell zur Vorhersage des SOC einer sich in Betrieb bzw. Benutzung befindlichen Interkalationszelle geeignet ist.The single-particle model is a so-called lumped parameter system whose core feature is to average localized system states. The resulting benefits are that it eliminates spatial discretization and leaves only five to six dynamic equations per time step to solve, making the single-particle model real-time capable; H. is in principle suitable for predicting the SOC of an intercalation cell in operation or use.
Ein Nachteil des Single-Particle-Modells ist, dass die Ausgangsspannung nur bis zu einem Lade- bzw. Entladestrom von bis zu ±3 C mit den verteilte Systeme bildenden Simulationsmodellen übereinstimmt. Bei höheren Strömen weicht das Single-Particle-Modell deutlich mehr als 10 mV ab. Damit ist ein erheblicher Fehler des SOC von über 5% verbunden.A disadvantage of the single-particle model is that the output voltage only up to a charge or discharge current of up to ± 3 C with the distributed systems forming simulation models match. At higher currents, the single-particle model deviates significantly more than 10 mV. This is associated with a significant SOC error of over 5%.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands bzw. SOC sowie damit vorzugsweise beispiepsweise im Hinblick auf eine Abbruchspannung der verfügbaren Leistung einer sekundären Interkalationszelle einer wiederaufladbaren Batterie mit einer Anode, einer Kathode, einem Separator und einer die Anode, die Kathode und den Separator durchtränkenden Elektrolytphase aus, wobei der SOC anhand von an der Interkalationszelle gemessener Messgrößen mittels eines elektrochemischen Simulationsmodells rückgerechnet wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass in dem Simulationsmodell zur Verfeinerung dessen Güte sich mit dem SOC verändernde Diffusionsmechanismen beweglicher Ionen im Aktivmaterial von Anode und Kathode jeweils separat berücksichtigt werden.The invention is based on an initially described method for determining the state of charge or SOC and thus preferably for example with regard to a termination voltage of the available power of a secondary intercalation cell of a rechargeable battery with an anode, a cathode, a separator and the anode, the cathode and the electrolyte phase impregnating the separator, wherein the SOC is recalculated by means of an electrochemical simulation model on the basis of measured variables measured at the intercalation cell. According to the invention, it is provided that in the simulation model for refinement of its quality, the diffusion mechanisms of mobile ions in the active material of the anode and cathode, which change the SOC, are taken into account separately.
Wird die Spannungserholung beispielsweise einer Lithium-Ionen-Zelle nach dem Ausschalten des Laststroms analysiert, lassen sich zwei Effekte beobachten:
- – die Erholungskurve besitzt zwei Zeitkonstanten, die sich um etwa eine Größenordnung unterscheiden, und die auf eine unterschiedliche Dynamik in den beiden Elektroden Anode und Kathode zurückzuführen sind.
- – Die beiden Zeitkonstanten ändern sich sprungartig ab bestimmten Ladezuständen.
- - The recovery curve has two time constants, which differ by about one order of magnitude, and which are due to a different dynamics in the two electrodes anode and cathode.
- - The two time constants change abruptly from certain states of charge.
Die Erfindung berücksichtigt diese beiden Beobachtungen bei der Berechnung des SOC mittels eines elektrochemischen Simulationsmodells. Die beiden Zeitkonstanten charakterisieren den Material- bzw. Ionentransport im Aktivmaterial der Elektroden. Nach
Die Größenordnung, um die sich die zwei Zeitkonstanten in etwa unterscheiden, entspricht dem aus dem einleitend genannten Stand der Technik sowie aus
Der Übergangsbereich der sich mit dem SOC verändernden Diffusionsmechanismen kann vorzugsweise mit je einer ladezustandsabhängigen Diffusivität bzw. einem ladezustandsabhängigen Diffusionskoeffizienten D = D(SOC) für die Anode und die Kathode bzw. der jeweiligen Elektroden beschrieben werden.The transition region of the diffusion mechanisms which change with the SOC can preferably be described in each case with a charge-state-dependent diffusivity or a charge-state-dependent diffusion coefficient D = D (SOC) for the anode and the cathode or the respective electrodes.
Besonders bevorzugt werden die ladezustandsabhängige Diffusivität bzw. der ladezustandsabhängige Diffusionskoeffizient D = D(SOC) je für die Anode und die Kathode gemäß
In das elektrochemische Simulationsmodell können vor und/oder während und/oder nach Einschalten einer elektrischen Last, z. B. eines Entladestroms, gewonnene Messgrößen zumindest mit einfließen. Die elektrische Last bewirkt eine Stromentnahme, durch die sich die Zellspannung ändert. Die entnehmbare elektrische Energie ist aus Sicherheitsgründen durch eine untere Abbruchspannung der Zelle begrenzt. Diese untere Abbruchspannung wird abhängig von der der elektrischen Last entsprechenden entnommenen Leistung früher oder später erreicht. Das Gleiche gilt in umgekehrter Weise für den Ladevorgang, wobei der Ladestrom einer Zelle typischerweise wesentlich kleiner ist, als deren Entladestrom.In the electrochemical simulation model, before and / or during and / or after switching on an electrical load, eg. B. a discharge current, obtained measured variables at least included. The electrical load causes a current drain through which the cell voltage changes. The removable electrical energy is limited for safety reasons by a lower termination voltage of the cell. This lower termination voltage is reached sooner or later depending on the extracted power corresponding to the electric load. The same is true in reverse for the charging process, wherein the charging current of a cell is typically much smaller than their discharge current.
Vorzugsweise fließt in das elektrochemische Simulationsmodell eine Spannungserholung der Interkalationszelle nach Wegnahme der elektrischen Last, etwa eines Entladestroms, zumindest mit ein.Preferably, in the electrochemical simulation model, a voltage recovery of the intercalation cell after removal of the electrical load, such as a discharge current, at least with a.
Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich unter anderem durch Schaffung einer Modellierung des Übergangs zwischen zwei Diffusionsmechanismen im Aktivmaterial der Elektroden während der Änderung des SOC der Interkalationszelle, wie etwa des beispielsweise in
Weitere, sich durch die Erfindung ergebende Vorteile sind unter anderem eine verbesserte Güte des Simulationsmodells im Bereich der oberen und unteren Abbruchspannung, die Möglichkeit einer Abbildung der starken Spannungserholung bei Wegnahme des Laststroms an der unteren Abbruchspannung, sowie eine hohe numerische Stabilität durch Verwendung der vorgeschlagenen tanh Gleichung.Further advantages resulting from the invention include an improved quality of the simulation model in the area of the upper and lower break-off voltage, the possibility of mapping the strong voltage recovery when the load current at the lower break-off voltage is removed, and high numerical stability by using the proposed tanh Equation.
Besonders bevorzugt werden bei dem Simulationsmodell physikalisch-chemische Eigenschaften in der Anode und der Kathode, wie z. B. eine Konzentration der bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen, vereinfacht als jeweils homogen und über die örtlichen Bereiche Anode und Kathode volumengemittelt betrachtet. Diese erfolgt im Gegensatz zu einem verteilten Modell, bei dem eine örtliche Auflösung von Zustandsgrößen an bestimmten Orten berücksichtigt wird.Particularly preferred in the simulation model physicochemical properties in the anode and the cathode, such. As a concentration of intercalated atoms and / or molecules and / or ions, simplified as each considered homogeneous and volume-average over the local areas anode and cathode. This is in contrast to a distributed model, which takes into account a local resolution of state variables at specific locations.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei dem Simulationsmodell jeweils eine Butler-Volmer-Reaktionskinetik für die Anode und für die Kathode berechnet wird, wobei die Butler-Volmer-Reaktionskinetik gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung zumindest anodenseitig um einen Potenzialanteil (Φ2) in der Elektrolytphase der Anode erweitert wird.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that in the simulation model each have a Butler-Volmer kinetics is calculated for the anode and for the cathode, the Butler-Volmer kinetics, at least the anode side (to a potential portion according to a particularly advantageous embodiment, Φ 2 ) is extended in the electrolyte phase of the anode.
Sich hierdurch ergebende Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich unter anderem dadurch, dass eine hohe Genauigkeit, wie bei einem verteilten System bei gleichzeitig einfachem und dadurch echtzeitfähigem Algorithmus mit nur wenigen, typischerweise fünf bis sechs, Zustands-Differentialgleichungen wie bei einem Lumped-Parameter System erreicht wird.The resulting advantages of the invention over the prior art result, inter alia, from the fact that a high accuracy, as in a distributed system with a simple and thus real-time algorithm with only a few, typically five to six, state differential equations as in a lumped Parameter system is reached.
Zur anodenseitigen Erweiterung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik um einen Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Anode wird vorzugsweise der Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Anode abgeschätzt, durch
- – Strom I(t);
- – mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase;
- – mindestens einen Korrekturfaktor bzw. eine Gewichtung w.
- - current I (t);
- - average conductivity k of the electrolyte phase;
- At least one correction factor or weight w.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird zur anodenseitigen Erweiterung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik der Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Anode vorzugsweise anhand des Lade- bzw. Entladestroms der Zelle, der mittleren Leitfähigkeit der Elektrolytphase und der Dicke eines durch die Lagen der Anode, des Separators und der Kathode gebildeten Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs abgeschätzt.According to an alternative embodiment of the invention, for the anode-side extension of the Butler-Volmer reaction kinetics, the potential component in the electrolyte phase of the anode is preferably based on the charge or discharge current of the cell, the average conductivity of the electrolyte phase and the thickness of a through the layers of the anode Separators and the cathode formed anode-separator-cathode sandwich estimated.
Die Erfindung ermöglicht so eine modellbasierte Vorhersage des Ladezustandes einer sekundären Interkalationszelle für alle Betriebspunkte innerhalb der Spezifikation von Zelltemperatur, Zellspannung und Lade- bzw. Entladestrom der Zelle durch Messung des Ladestroms.The invention thus enables a model-based prediction of the state of charge of a Secondary intercalation cell for all operating points within the specification of cell temperature, cell voltage and charge or discharge current of the cell by measuring the charging current.
Das auch als Überspannung bezeichnete Überpotenzial ηs,a der um den Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Anode erweiterten Butler-Volmer-Reaktionskinetik der Anode wird vorzugsweise gemäß
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode gemäß
Vorzugsweise wird die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase mit einer empirischen Gewichtung w gewichtet. Die mittlere Leitfähigkeit der Elektrolytphase ergibt so zusammen mit der empirischen Gewichtung w einen Lumping Parameter.Preferably, the average conductivity k of the electrolyte phase is weighted with an empirical weight w. The mean conductivity of the electrolyte phase together with the empirical weighting w thus results in a lumping parameter.
Der Ladezustand wird mittels des Simulationsmodells vorzugsweise anhand der Messgrößen Zelltemperatur und/oder Zellspannung und/oder Lade- bzw. Entladestrom der Zelle rückgerechnet.The state of charge is preferably recalculated by means of the simulation model on the basis of the measured variables cell temperature and / or cell voltage and / or charging or discharging current of the cell.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anode und die Kathode bei der Berechnung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik für die Anode und für die Kathode vereinfacht als jeweils ein kugelförmiges Partikel betrachtet werden, innerhalb dem die physikalisch-chemischen Eigenschaften kugelsymetrisch verteilt sind, und deren Oberflächen vorzugsweise jeweils mittels eines Formfaktors und dem Elektrodenvolumen unter Berücksichtigung der Porosität auf die gesamte jeweilige Elektrode hochgerechnet werden.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that when calculating the Butler-Volmer reaction kinetics for the anode and for the cathode, the anode and the cathode are considered as being in each case a spherical particle within which the physicochemical properties are distributed in a spherically symmetric manner , and whose surfaces are preferably extrapolated to the entire electrode in each case by means of a shape factor and the electrode volume taking into account the porosity.
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften in der Anode und in der Kathode werden dabei vorzugsweise anhand der jeweils zuletzt berechneten physikalischchemischen Eigenschaften in der Anode und in der Kathode und anhand der physikalisch-chemischen Eigenschaften an der Oberfläche der Anode und der Kathode berechnet.The physico-chemical properties in the anode and in the cathode are preferably calculated on the basis of the respectively last-calculated physico-chemical properties in the anode and in the cathode and on the basis of the physicochemical properties on the surface of the anode and the cathode.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die jeweils in der Anode und in der Kathode als homogen verteilt betrachteten physikalisch-chemischen Eigenschaften zumindest die Konzentration der bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen jeweils in der Anode und in der Kathode umfassen.Another particularly advantageous embodiment of the invention provides that the respectively in the anode and in the cathode considered to be homogeneously distributed physicochemical properties at least the concentration of intercalated atoms and / or molecules and / or ions respectively in the anode and in the cathode.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der sekundären Interkalationszelle um eine Lithium-Ionen-Interkalationszelle.Most preferably, the secondary intercalation cell is a lithium-ion intercalation cell.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained with reference to the drawings. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands bzw. SOC einer vorzugsweise als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführten sekundären dualen Interkalationszelle
Eine Rückführverstärkung
Um in einem in
Beispielsweise für eine Fahrzeuganwendung, z. B. in einem mit einer sekundären Interkalationszelle ausgestatteten Kraftfahrzeug, z. B. einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, muss ein für ein Verfahren zur Bestimmung des SOC der sekundären Interkalationszelle vorgesehenes und durch einen solchen Algorithmus gebildetes Simulationsmodell die leistungs- und temperaturabhängige Kapazität der Interkalationszelle abbilden, eine mit einem verteilten System, beispielsweise mit einem aus
Dies wird durch ein Verfahren zur Bestimmung des SOC einer sekundären Interkalationszelle mit einer Anode, einer Kathode, einem Separator und einer die Anode, die Kathode und den Separator durchtränkenden Elektrolytphase sichergestellt, bei dem der Ladezustand anhand von an der Interkalationszelle gemessener Messgrößen mittels eines elektrochemischen Simulationsmodells
Erfindungsgemäß werden in dem Simulationsmodell
Der Übergangsbereich der sich mit dem Ladezustand (SOC) verändernden Diffusionsmechanismen
Beispielsweise kann die ladezustandsabhängige Diffusivität bzw. der ladezustandsabhängige Diffusionskoeffizient D = D(SOC) je für die Anode und die Kathode gemäß
Wichtig ist hervorzuheben, dass für den Übergang zwischen zwei oder mehreren Diffusionsmechanismen bzw. zu dessen Beschreibung beliebige funktionale und/oder abschnittsweise definierte Zusammenhänge D = D(SOC) denkbar sind, die an die jeweilige Zellchemie angepasst sind bzw. anpassbar sind. Statt eines funktionalen Zusammenhangs ist auch ein Kennfeld denkbar, dem kein eindeutiger funktionaler Zusammenhang von D = D(SOC) zu Grunde liegt.It is important to emphasize that for the transition between two or more diffusion mechanisms or for their description any functional and / or sectionally defined relationships D = D (SOC) are conceivable, which are adapted to the respective cell chemistry or are adaptable. Instead of a functional relationship, a map is conceivable that no clear functional relationship of D = D (SOC) is the basis.
In das elektrochemische Simulationsmodell können vor und/oder während und/oder nach Einschalten einer elektrischen Last gewonnene Messgrößen zumindest mit einfließen. Die elektrische Last bewirkt eine Stromentnehme, durch die sich die Zellspannung ändert.In the electrochemical simulation model, measured quantities obtained before and / or during and / or after switching on an electrical load can at least be incorporated. The electrical load causes a current drop through which the cell voltage changes.
In das elektrochemische Simulationsmodell kann darüber hinaus eine Spannungserholung der Interkalationszelle nach Wegnahme der elektrischen Last zumindest mit einfließen.In addition, a voltage recovery of the intercalation cell after removal of the electrical load can at least be included in the electrochemical simulation model.
Wird ein Verlauf
- – die Erholungskurve
40 besitzt zwei Zeitkonstanten τanode, τcathode, die sich um etwa eine Größenordnung unterscheiden, wobei τcathode ≈ 10·τanode ist. Diese unterschiedlichen Zeitkonstanten τanode, τcathode lassen sich auf eine unterschiedliche Dynamik inden beiden Elektroden 11 ,12 ,der Anode 11 und der Kathode12 , zurückführen. - – Die beiden Zeitkonstanten τanode, τcathode ändern sich sprungartig ab bestimmten SOC.
- - the
recovery curve 40 has two time constants τ anode , τ cathode , which differ by about one order of magnitude, where τ cathode ≈ 10 · τ anode . These different time constants τ anode , τ cathode can be attributed to a different dynamics in the twoelectrodes 11 .12 , theanode 11 and thecathode 12 to lead back. - - The two time constants τ anode , τ cathode change abruptly from certain SOC.
Die Erfindung berücksichtigt diese beiden Beobachtungen bei der Berechnung des SOC mittels eines elektrochemischen Simulationsmodells. Die beiden Zeitkonstanten τ, hier τanode, τcathode, charakterisieren den Material- bzw. Ionentransport im Aktivmaterial der Elektroden, wobei D ~ 1/τ ist. Nach
Vorzugsweise basiert das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Simulationsmodell
Diese Erweiterung kann vorzugsweise durch eine Abschätzung des Potenzialanteils Φ2 in der Elektrolytphase der Anode auf Basis des Lade- bzw. Entladestroms der Zelle I, der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase und der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs erfolgen.This expansion can preferably take place by an estimate of the potential component Φ 2 in the electrolyte phase of the anode based on the charge or discharge current of the cell I, the average conductivity k of the electrolyte phase and the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich.
Damit wird abweichend zu
Ein elektrochemisches Simulationsmodell
Die erfindungsgemäße Berücksichtigung der unterschiedlichen Diffusionsmechanismen
Die anodenseitige Erweiterung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik um einen Potenzialanteil Φ2 in der Elektrolytphase der Anode erfolgt vorzugsweise derart, dass sich das Überpotenzial ηs,a in der Butler-Volmer-Reaktionskinetik der Anode bzw. der negativen Elektrode zu
Dabei wird durch die Erfindung der nahezu stationäre Wert am linken Rand der Anode nach einem Stromsprung abgeschätzt. Dies ist möglich, da der Potenzialanteil Φ2 am rechten Rand der Kathode gleich Null ist.In this case, the almost stationary value at the left edge of the anode is estimated after a current jump by the invention. This is possible because the potential share Φ 2 at the right edge of the cathode is zero.
Der Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode kann gemäß
Besonders bevorzugt wird die Gewichtung w mit w = 0.7 gewählt, so dass sich der Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode zu
Die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase lässt sich aus einem Vergleich der gemessenen und der simulierten Temperaturentwicklung der Zelle bestimmen.The mean conductivity k of the electrolyte phase can be determined from a comparison of the measured and the simulated temperature development of the cell.
Alternativ kann die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase dem Parametersatz eines verteilten Modells entnommen werden. Die Konzentration cs,a von in den aktiven Partikeln der Anode bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen kann z. B. über ein aus
Das genannte Polynom dient zur approximativen Berechnung der Konzentration cs,a von in den aktiven Partikeln der Anode bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen und der Konzentration cs,k von in den aktiven Partikeln der Kathode bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen und ersetzt die Berechnung je einer partiellen Differentialgleichung in Anode und Kathode für die Diffusion der bei der Interkalation in der Anode bzw. Kathode eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder IonenThe said polynomial serves for the approximate calculation of the concentration c s, a of atoms embedded in the active particles of the anode during the intercalation and / or molecules and / or ions and the concentration c s, k of in the active particles of the cathode during the intercalation embedded atoms and / or molecules and / or ions and replaces the calculation of each of a partial differential equation in anode and cathode for the diffusion of the intercalated in the anode or cathode embedded atoms and / or molecules and / or ions
Die Berechnung des Potenzialanteils Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode gemäß Φ2 = w·k–1·L·I(t) ersetzt die Berechnung einer partiellen Differentialgleichung für den Potentialanteil im Elektrolyt insgesamt.The calculation of the potential component Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase of the anode according to Φ 2 = w · k -1 · L · I (t) replaces the calculation of a partial differential equation for the potential component in the electrolyte as a whole.
Φ2 und die Ruhepotentiale bzw. Ruhespannungen Ua(cs,a) der Anode und Uk(cs,k) der Kathode in Abhängigkeit von der Konzentration cs,a von in den aktiven Partikeln der Anode bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen bzw. in Abhängigkeit von der Konzentration cs,k von in den aktiven Partikeln der Kathode bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen dienen einer Bestimmung der Überspannungen von Anode und Kathode, so dass über die Butler-Volmer-Reaktionskinetik die Klemmspannung Ukl der Zelle als Ukl = Φs,k – Φs,a berechnet werden kann. Damit wird ein direkter mathematischer Zusammenhang zwischen Klemmspannung Ukl und SOC hergestellt.Φ 2 and the rest potentials or rest voltages U a (c s, a ) of the anode and U k (c s, k ) of the cathode as a function of the concentration c s, a of embedded in the active particles of the anode during the intercalation atoms and / or molecules and / or ions or in dependence on the concentration c s, k of atoms embedded in the active particles of the cathode during the intercalation and / or molecules and / or ions serve to determine the overvoltages of anode and cathode, see above that the terminal voltage U kl of the cell can be calculated as U kl = Φ s, k - Φ s, a via the Butler-Volmer reaction kinetics. This establishes a direct mathematical relationship between clamping voltage U kl and SOC.
Wichtig ist hervorzuheben, dass die Butler-Volmer-Reaktionskinetik ebenso kathodenseitig um einen Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Kathode erweitert werden kann. Jedoch ist der Einfluss des Potenzialanteils in der Elektrolytphase der Anode auf die Vorhersage des SOC wesentlich höher, als der Einfluss des Potenzialanteils in der Elektrolytphase der Kathode, weshalb letzterer zur Vereinfachung des Algorithmus vorzugsweise unberücksichtigt bleibt.It should be emphasized that the Butler-Volmer reaction kinetics can also be extended on the cathode side by a potential component in the electrolyte phase of the cathode. However, the influence of the potential component in the anode's electrolyte phase on the prediction of the SOC is much higher than the influence of the potential component in the cathode's electrolyte phase, which is why the latter is preferably disregarded to simplify the algorithm.
Ebenso wichtig ist hervorzuheben, das die der Erfindung zugrunde liegende Idee auch auf andere Zellchemien vergleichbarer innerer Struktur erweitert werden kann.It is equally important to emphasize that the idea underlying the invention can also be extended to other cell chemistries of comparable internal structure.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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