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 PDF

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Abstract

The method involves soaking an anode (35), a cathode (36) and a separator in an electrolyte phase. The diffusion mechanisms (43,44) of moving ions in the active material of the anode and cathode modifying with the charging condition (SOC) are incorporated separately in an electrochemical simulation model (21).

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 DE 198 31 723 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines als Fahrzeugstarterbatterie vorgesehenen Akkumulators bei einem Fahrzeug mit einem Starter bekannt. Dabei ist vorgesehen, während des Betriebs des Starters den Spannungsabfall der Batteriespannung zu erfassen und nachfolgend einem Ladezustandswert zuzuordnen.By the DE 198 31 723 A1 For example, a method for determining the state of charge of a rechargeable battery provided as a vehicle starter battery in a vehicle with a starter is known. It is provided to detect the voltage drop of the battery voltage during operation of the starter and subsequently assign a state of charge value.

In der DE 199 13 627 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators beschrieben, das vorsieht, bei einem Akkumulator, der mittels einer variablen Energiequelle geladen wird, indem die von der variablen Energiequelle erzeugte Energie in definierte Strompulse und Pulspausen umgewandelt und in dieser Form dem Akkumulator zugeführt wird, den Ladezustand zu bestimmen, dass der Spannungsverlauf im Akkumulator als Reaktion auf die Strompulse gemessen und ausgewertet wird.In the DE 199 13 627 A1 a method for determining the state of charge of an accumulator is described, which provides for an accumulator which is charged by means of a variable energy source by the energy generated by the variable energy source is converted into defined current pulses and pulse pauses and fed in this form to the accumulator, the State of charge to determine that the voltage profile in the accumulator is measured and evaluated in response to the current pulses.

Auch durch die DE 198 31 723 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines als Fahrzeugstarterbatterie vorgesehenen Akkumulators bekannt, welche Fahrzeugstarterbatterie im Rahmen eines Fahrzeugbetriebs ohne Ruhezeiten zum Einsatz kommt. Dabei wird bei Vorliegen eines vorzugsweise den Entlade-Arbeitsbereich der Batterie betreffenden Arbeitsbereichs der Ladezustand auf der Grundlage einer Modellrechnung berechnet, in welcher eine gemessene und eine berechnete Batteriespannung über eine Rückkopplung abgeglichen werden. Die zugrunde liegende Modellrechnung geht von einem durch die Kapazität C der Batterie gegebenen nahezu linearen Zusammenhang zwischen der Ladung Q der Batterie und der Ruhespannung UR der Batterie aus. Die Dynamik des Säuredichteausgleichs zwischen den Plattenporen und dem freien Säurevolumen der als klassischer Bleiakkumulator ausgeführten Fahrzeugstarterbatterie wird in der Modellrechnung mittels einer Konzentrationsüberspannung UK über eine in Serie zu der Kapazität C der Batterie angeordnete Kapazität CK und einen parallel zu der Kapazität CK liegenden Widerstand RK nachgebildet. Ferner umfasst die Modellrechnung einen in Serie zu der Kapazität C der Batterie angeordneten Innenwiderstand RI der Batterie. Zunächst werden eine Batteriespannung UBatt und ein Batteriestrom IBatt gemessen. Der Batteriestrom IBatt wird direkt in die Modellrechnung eingegeben. Die gemessene Batteriespannung UBatt wird mit einer geschätzten Batteriespannung UBatt' abgeglichen und ebenfalls in die Modellrechnung eingegeben, um einen Ruhespannungswert UR zu berechnen. Zur Schätzung der Ruhespannung UR, der Konzentrationsüberspannung UK sowie des Innenwiderstands RI wird ein Beobachter z. B. in Form eines Kalmanfilters eingesetzt. Die Modellrechnung wird im Entlade-Arbeitsbereich durch Rückkopplung des Fehlers zwischen gemessener Batteriespannung UBatt und geschätzter Batteriespannung UBatt' abgeglichen. In den übrigen Arbeitsbereichen wird die Rückkopplung des Fehlers der Modellrechnung unterbrochen und die Ruhespannung aus dem Stromintegral und der zuletzt während des letzten Entlade-Arbeitsbereichs geschätzten Ruhespannung berechnet. Der SOC wird dann gemäß einer Gleichung der Form

Figure 00030001
bestimmt, wobei UR,min und UR,max die minimale bzw. maximale Ruhespannung bei den vom Batteriehersteller angegebenen Werten der Säuredichte für eine leere bzw. vollgeladene Batterie bezeichnen.Also by the DE 198 31 723 A1 a method for determining the state of charge of a designated as a vehicle starter battery accumulator is known, which vehicle starter battery is used in a vehicle operation without rest periods. In this case, in the case of a work area which preferably concerns the discharge operating range of the battery, the state of charge is calculated on the basis of a model calculation in which a measured and a calculated battery voltage are adjusted via a feedback. The underlying model calculation assumes a nearly linear relationship between the charge Q of the battery and the rest voltage U R of the battery, given by the capacity C of the battery. The dynamics of gravity balance between the plate pores, and the free acid volume of the vehicle starter battery is designed as a classical lead-acid battery is used in the model calculation using a concentration overvoltage U K via a arranged in series to the capacitance C of the battery capacity C K and a plane parallel to the capacitance C K resistor R K reproduced. Furthermore, the model calculation includes an internal resistance R I of the battery arranged in series with the capacity C of the battery. First, a battery voltage U Batt and a battery current I Batt are measured. The battery current I Batt is entered directly in the model calculation. The measured battery voltage U Batt is compared with an estimated battery voltage U Batt 'and also entered into the model calculation to calculate a quiescent voltage value U R. To estimate the rest voltage U R , the concentration overvoltage U K and the internal resistance R I is an observer z. B. used in the form of a Kalman filter. The model calculation is balanced in the discharge work area by feedback of the error between measured battery voltage U Batt and estimated battery voltage U Batt '. In the remaining workspaces, the feedback of the model calculation error is interrupted and the quiescent voltage is calculated from the current integral and the quiescent voltage last estimated during the last discharge workspace. The SOC is then according to an equation of the form
Figure 00030001
where U R, min and U R, max denote the minimum and maximum open circuit voltages, respectively, at the acid density values indicated by the battery manufacturer for an empty or fully charged battery.

Durch die DE 101 39 049 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Fahrzeugbatterie bekannt. Hierzu wird zunächst ein Ladezustandsbestimmungsbetrieb aktiviert, anschließend durch Ansteuerung mindestens einer Elektromaschine des Fahrzeugs ein definierter Laststrom eingestellt und eine Spannungscharakteristik von einer gemessenen Bordnetzspannung abgeleitet. Außerdem wird eine Information über die Batterietemperatur des Fahrzeugs bereitgestellt und schließlich der Ladezustand der Fahrzeugbatterie unter Verwendung der Spannungscharakteristik, der Batterietemperatur und eines abgespeicherten Kennfeldes ermittelt. By the DE 101 39 049 A1 Another method for determining the state of charge of a vehicle battery is known. For this purpose, a state of charge determining operation is first activated, then set by controlling at least one electric machine of the vehicle, a defined load current and derived a voltage characteristic of a measured vehicle electrical system voltage. In addition, information about the battery temperature of the vehicle is provided and finally determines the state of charge of the vehicle battery using the voltage characteristic, the battery temperature and a stored map.

Aus der DE 103 01 823 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators bekannt. Um die aus einem Bleiakkumulator bis zu einem vorgegebenen Entladeschluss entnehmbare Ladung zu bestimmen, wird eine Modellrechnung verwendet, welche die elektrischen Eigenschaften des Bleiakkumulators mathematisch darstellt. Mit Hilfe der Modellrechnung wird die bei einem vorgegebenen Entladestrom entnehmbare Ladung berechnet, wobei aus aktuellen Betriebsgrößen Batteriespannung, Batteriestrom und Batterietemperatur des Bleiakkumulators Zustandsgrößen und/oder Parameter für die Modellrechnung ermittelt werden.From the DE 103 01 823 A1 Also, a method for determining the state of charge of a rechargeable battery is known. In order to determine the charge which can be taken from a lead-acid battery up to a predetermined discharge deadline, a model calculation is used which mathematically represents the electrical properties of the lead-acid battery. With the help of the model calculation, the charge which can be taken from a given discharge current is calculated, wherein state variables and / or parameters for the model calculation are determined from current operating variables battery voltage, battery current and battery temperature of the lead-acid battery.

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 M. DOYLE, T. FULLER, J. NEWMAN „Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell”, Journal of the Electrochemical Society 140 (1993), pp. 1526–1533 , und durch T. FULLER, M. DOYLE, J. NEWMAN, „Simulation and optimization of the dual lithium ion insertion cell”, Journal of the Electrochemical Society 141 (1994), pp. 1–10 sind elektrochemische Simulationsmodelle bekannt, welche die physikalischen und die chemischen Effekte in einer schematisch in 1 in ihrem Aufbau dargestellten dualen sekundären Lithium-Ionen-Interkalationszelle 01 nachbilden. Die vereinfacht auch als Zelle 01 bezeichnete Lithium-Ionen-Interkalationszelle 01 besteht im Wesentlichen aus einer durch aktive Partikel 02 gebildeten porösen Kathode 11 bzw. positiven Elektrode 11, einer durch aktive Partikel 04 gebildeten porösen Anode 12 bzw. negativen Elektrode 12 und einem zwischen den Elektroden 11, 12 angeordneten Separator 13. Zwischen den Partikeln 02, 04 der Elektroden befinden sich Binder und Füllmittel 14. Verbleibende Hohlräume zwischen den aktiven Partikeln 02, 04 der Elektroden 11, 12 sind mit einem auch als Elektrolytphase 10 bezeichneten Elektrolyt 10 geflutet.By M. DOYLE, T. FULLER, J. NEWMAN "Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium / polymer / insertion cell ", Journal of the Electrochemical Society 140 (1993), pp. 1526-1533 , and through T. FULLER, M. DOYLE, J. NEWMAN, "Simulation and Optimization of the Dual Lithium Ion Insertion Cell," Journal of the Electrochemical Society 141 (1994), p. 1-10 For example, electrochemical simulation models are known which show the physical and chemical effects in a schematic way 1 in their construction, dual secondary lithium-ion intercalation cell 01 replicate. That also simplifies as a cell 01 designated lithium-ion intercalation cell 01 consists essentially of one by active particles 02 formed porous cathode 11 or positive electrode 11 one by active particles 04 formed porous anode 12 or negative electrode 12 and one between the electrodes 11 . 12 arranged separator 13 , Between the particles 02 . 04 The electrodes contain binders and fillers 14 , Remaining voids between the active particles 02 . 04 the electrodes 11 . 12 are with one as well as electrolyte phase 10 designated electrolyte 10 flooded.

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 Partikel 02, 04 zum Elektrolyt 10,
  • – Diffusion von Lithium-Ionen Li+ in der Elektrolytphase 10 zwischen den Elektroden 11, 12,
  • – Ohm'sches Gesetz für das Potenzial in der Elektrolytphase 10,
  • – Ohm'sches Gesetz für das Potenzial im aktiven Elektrodenmaterial 02, 04 der Elektroden 11, 12,
  • – Strombilanz in der Elektrolytphase 10, sowie
  • – Butler-Volmer-Reaktionskinetik für den Ladungsdurchtritt durch die Grenzschicht zwischen den aktiven Partikeln und dem Elektrolyt.
These electrochemical simulation models allow the calculation or consideration of the physical and chemical effects:
  • - Diffusion of lithium-ion Li + within the particles 02 . 04 to the interface of the active particles 02 . 04 to the electrolyte 10 .
  • - Diffusion of lithium ions Li + in the electrolyte phase 10 between the electrodes 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 the electrodes 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 1 durch einen linearen Maßstab 09 schematisch dargestellten Zellquerschnitt berücksichtigen bzw. da die lokale Variation von Zustandsgrößen über den Zellquerschnitt mitberechnet werden. Jede Unterteilung des Maßstabs 09 symbolisiert dabei einen Diskretisierungspunkt für die partiellen Differenzialgleichungen im verteilten System. Dies führt zu einer hohen Modellordnung, verbunden mit einem entsprechenden Rechenaufwand.These simulation models belong to the class of the so-called distributed systems, since they provide a local variation of state variables over the in 1 by a linear scale 09 consider schematically illustrated cell cross-section or because the local variation of state variables over the cell cross-section are also calculated. Every subdivision of the scale 09 symbolizes a discretization point for the partial differential equations in the distributed system. This leads to a high model order, combined with a corresponding computational effort.

Aus regelungstechnischer Sicht ist bei den Simulationsmodellen der schematisch durch die Pfeile 06 bzw. 07 in 1 dargestellte eingebrachte oder geforderte Strom die Eingangsgröße und die schematisch durch ein Voltmeter dargestellte Zellspannung 08 die beobachtbare Ausgangsgröße. Die Zellspannung 08 ergibt sich aus dem Potenzial des aktiven Elektrodenmaterials 02 am rechten Rand 03 der Kathode der Zelle 01 abzüglich des Potenzials des aktiven Elektrodenmaterials 04 am linken Rand 05 der Kathode der Zelle 01. Der SOC ergibt sich physikalisch aus der diffusionsbasierten Konzentration der Lithium-Ionen Li+ in den aktiven Partikeln der Elektroden 02, 04 bzw. im aktiven Elektrodenmaterial 02, 04 und wird aus der auch Klemmspannung genannten Zellspannung 08 rückgerechnet.From a control point of view, in the case of the simulation models, the diagram is shown schematically by the arrows 06 respectively. 07 in 1 The introduced or demanded current represents the input quantity and the cell voltage shown schematically by a voltmeter 08 the observable output. The cell voltage 08 results from the potential of the active electrode material 02 on the right side 03 the cathode of the cell 01 minus the potential of the active electrode material 04 on the left edge 05 the cathode of the cell 01 , The SOC results physically from the diffusion-based concentration of lithium ions Li + in the active particles of the electrodes 02 . 04 or in the active electrode material 02 . 04 and becomes from the also called clamping voltage cell voltage 08 recalculated.

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 S. SANTHANAGOPALAN, R. E. WHITE „Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell”, Journal of Power Sources 161 (2006), pp 1346–1355 , ist ein auch als Single-Particle-Modell bezeichnetes System bekannt, welches im Gegensatz zu den oben beschriebenen verteilten Systemen die physikalischchemischen Eigenschaften über die Elektroden mittelt und die Einflüsse der Prozesse in der Elektrolytphase und im Separator vernachlässigt. Die Mittelung über die Elektroden erfolgt dadurch, dass die im verteilten System in einer Vielzahl räumlicher Diskretisierungspunkte betrachteten physikalisch-chemischen Eigenschaften über jeweils die Anode und die Kathode hinweg gemittelt werden. Die Einflüsse der Prozesse in der Elektrolytphase und im Separator werden dadurch vernachlässigt, indem der Einfluss der Lithium-Ionen in der Elektrolytphase vernachlässigt wird.By S. SANTHANAGOPALAN, RE WHITE "Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell", Journal of Power Sources 161 (2006), pp 1346-1355 , a system also known as a single particle model is known, which, in contrast to the distributed systems described above, averages the physicochemical properties across the electrodes and neglects the effects of the processes in the electrolyte phase and in the separator. Averaging over the electrodes is accomplished by averaging the physicochemical properties considered in the distributed system over a variety of spatial discretization points across each of the anode and cathode. The effects of the processes in the electrolyte phase and in the separator are thereby neglected by neglecting the influence of the lithium ions in the electrolyte phase.

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.
Starting from a distributed system, a simulation model formed thereby essentially reduces to the electrochemical effects:
  • 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.
If the voltage recovery of, for example, a lithium-ion cell is analyzed after switching off the load current, two effects can be observed:
  • - 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 H. MEHRER „Diffusion in Solids”, Springer Series in Solid-State Sciences, Springer Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2007 sind die sprungartigen Änderungen auf einen Wechsel des zu Grunde liegenden Diffusionsmechanismus zurückzuführen.The invention takes these two observations into account in the calculation of the SOC by means of an electrochemical simulation model. The two time constants characterize the material or ion transport in the active material of the electrodes. To H. MORE "Diffusion in Solids", Springer Series in Solid-State Sciences, Springer Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2007 the sudden changes are due to a change in the underlying diffusion mechanism.

Die Größenordnung, um die sich die zwei Zeitkonstanten in etwa unterscheiden, entspricht dem aus dem einleitend genannten Stand der Technik sowie aus J. NEWMAN, K. THOMAS-ALYEA „Electrochemical Systems”, Electrochemical Society Series, John Wiley & Sons, Inc., 2004 und aus V. SUBRAMANIAN, V. DIWAKAR, D. TAPRIYAL „Efficient Macro-Micro-Scale Coupled Modeling of Batteries”, Journal of the Electrochemical Society, 152 (2005), A2002–A2008 entnehmbaren Verhältnis der Diffusionskoeffizienten des Aktivmaterials von Anode und Kathode zueinander. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, diese nachweisbare, sprunghafte Änderung der zu Grunde liegenden Diffusionsmechanismen in einem Simulationsmodell zur Berechnung des SOC zu berücksichtigen.The order of magnitude by which the two time constants differ approximately corresponds to that in the introductory state of the art as well as FIG J. NEWMAN, K. THOMAS-ALYEA "Electrochemical Systems", Electrochemical Society Series, John Wiley & Sons, Inc., 2004 and from V. SUBRAMANIAN, V. DIWAKAR, D. TAPRIYAL "Efficient Macro-Microscale Coupled Modeling of Batteries", Journal of the Electrochemical Society, 152 (2005), A2002-A2008 removable ratio of the diffusion coefficients of the active material of the anode and cathode to each other. The method according to the invention makes it possible to take account of this detectable, abrupt change in the underlying diffusion mechanisms in a simulation model for calculating the SOC.

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 D(SOC) = Dref·½·(1 + tanh{–γ·(SOC – δ)}) berechnet. Dref bezeichnet hierbei einen Standardwert für ein bestimmtes Aktivmaterial der jeweiligen Elektrode bei interstitieller Diffusion. Bei γ und δ handelt es sich vorzugsweise um zu bestimmende Parameter. Die verwendete hyperbolische Tangensfunktion bzw. der verwendete Tangens Hyperbolicus (tanh) gewährleistet numerische Stabilität bei der Abbildung des Sprungs des Diffusionskoeffizienten zwischen den Ladezuständen. 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.Particular preference is given to the charge-state-dependent diffusivity or the Charge state dependent diffusion coefficient D = D (SOC) depending on the anode and the cathode according to D (SOC) = D ref * ½ (1 + tanh {-γ * (SOC-δ)}) calculated. D ref here denotes a standard value for a specific active material of the respective electrode in the case of interstitial diffusion. Preferably, γ and δ are parameters to be determined. The used hyperbolic tangent function or hyperbolic tangent (tanh) ensures numerical stability in the mapping of the jump of the diffusion coefficient between the states of charge. 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 also conceivable, which is based on no clear functional relationship of D = D (SOC).

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 H. MEHRER „Diffusion in Solids”, Springer Series in Solid-State Sciences, Springer Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2007 beschriebenen Übergangs z. B. von der interstitiellen zur Leerstellendiffusion. Jeder der beiden Mechanismen besitzt näherungsweise konstante Diffusivität. Der Übergangsbereich wird erfindungsgemäß vorzugsweise mit einer ladezustandsabhängigen Diffusivität D(SOC) beschrieben.Advantages of the invention over the prior art are, inter alia, by providing a modeling of the transition between two diffusion mechanisms in the active material of the electrodes during the change of the SOC of the intercalation cell, such as that in, for example, US Pat H. MORE "Diffusion in Solids", Springer Series in Solid-State Sciences, Springer Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2007 described transition z. From interstitial to vacancy diffusion. Each of the two mechanisms has approximately constant diffusivity. According to the invention, the transition region is preferably described with a charge-state-dependent diffusivity D (SOC).

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.
For the anode-side extension of the Butler-Volmer reaction kinetics by a potential component in the electrolyte phase of the anode, the potential component in the electrolyte phase of the anode is preferably estimated by
  • - 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 ηs,a = Φs,a – Ua(cs,a) – Φ2(k, I, L) – ΦSEI berechnet, mit dem Spannungsabfall Φs,a in der festen Phase bei einem Lade- bzw. Entladestrom I der Zelle, der Ruhespannung Ua(cs,a) der Anode 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, dem Potenzialabfall ΦSEI durch den Filmwiderstand an der Oberfläche der Anode und dem einem Spannungsabfall entsprechenden Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode in Abhängigkeit von der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase, dem Lade- bzw. Entladestrom I der Zelle sowie der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs.The overpotential η s, a, which is also referred to as overvoltage, is the Butler-Volmer reaction kinetics of the anode, which is extended by the potential component in the electrolyte phase of the anode η s, a = Φ s, a - U a (c s, a ) - Φ 2 (k, I, L) - Φ SEI calculated, with the voltage drop Φ s, a in the solid phase at a charge or discharge current I of the cell, the rest voltage U a (c s, a ) of the anode as a function of the concentration c s, a of in the active particles the anode at the intercalation embedded atoms and / or molecules and / or ions, the potential drop Φ SEI by the film resistance at the surface of the anode and the voltage drop corresponding potential portion Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase of the anode in dependence of the average conductivity k of the electrolyte phase, the charge or discharge current I of the cell and the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode gemäß Φ2 = k–1·L·I(t) berechnet wird, mit der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase, der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs und dem Lade- bzw. Entladestrom der Zelle I(t) in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase anhand des Lade- bzw. Entladestroms der Zelle I(t) sowie vorzugsweise der daraus resultierenden Klemmenspannung und der Temperaturentwicklung der Zelle abgeschätzt wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the potential component Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase of the anode according to Φ 2 = k -1 · L · I (t) is calculated with the mean conductivity k of the electrolyte phase, the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich and the charge or discharge current of the cell I (t) as a function of the time t, wherein the average conductivity k of the electrolyte phase based the charging or discharging current of the cell I (t) and preferably the resulting terminal voltage and the temperature development of the cell is estimated.

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:

1: einen schematischen Aufbau einer sekundären bzw. dualen Interkalationszelle. 1 : a schematic structure of a secondary or dual intercalation cell.

2: eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 : a schematic representation of an application of the method according to the invention.

3: ein schematische Darstellung eines einem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden elektrochemischen Simulationsmodells. 3 : A schematic representation of a method according to the invention underlying electrochemical simulation model.

4: eine schematische Darstellung des Verlaufs der Spannungserholung einer Lithium-Ionen-Zelle nach Abschaltung des Laststroms bzw. Entladestroms der Zelle. 4 : A schematic representation of the course of the voltage recovery of a lithium-ion cell after switching off the load current or discharge current of the cell.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands bzw. SOC einer vorzugsweise als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführten sekundären dualen Interkalationszelle 20 wird vorzugsweise, wie in 2 schematisch dargestellt, eingesetzt, indem der SOC der Interkalationszelle 20 anhand von an der Interkalationszelle 20 zum Zeitpunkt t gemessener Messgrößen Zelltemperatur T(t), Zellspannung U(t) und Lade- bzw. Entladestrom der Zelle I(t), mittels eines elektrochemischen Simulationsmodells 21 rückgerechnet wird. Dabei dient vorzugsweise der gemessene Lade- bzw. Entladestrom der Zelle I(t) als Eingangsgröße des Simulationsmodells 21, wobei ein Vergleich 24 der Ausgangsgrößen Zelltemperatur Tm(t) und Zellspannung Um(t) des Simulationsmodells mit den Messgrößen Zelltemperatur T(t) und Zellspannung U(t) der Interkalationszelle 20 durchgeführt wird.A method for determining the state of charge or SOC of a secondary dual intercalation cell, which is preferably designed as a lithium-ion accumulator 20 is preferably, as in 2 shown schematically, inserted by the SOC of the intercalation cell 20 based on at the intercalation cell 20 measured at the time t measured cell temperature T (t), cell voltage U (t) and Charging or discharging current of the cell I (t), by means of an electrochemical simulation model 21 is recalculated. Preferably, the measured charge or discharge current of the cell I (t) serves as the input variable of the simulation model 21 , being a comparison 24 the output quantities cell temperature T m (t) and cell voltage U m (t) of the simulation model with the measured values cell temperature T (t) and cell voltage U (t) of the intercalation cell 20 is carried out.

Eine Rückführverstärkung 22 eines sich aus dem Vergleich 24 ergebenden Beobachtungsfehlers e(t) kann nach Luenberger oder Kalman bestimmt werden, vorzugsweise dergestalt, dass der Beobachtungsfehler e(t) asymptotisch abklingt, d. h. gegen Null geht. Der SOC wird dabei aus den Messgrößen und Lade- bzw. Entladestrom der Zelle I(t), Zelltemperatur T(t) und Zellspannung U(t) rekonstruiert. Ein Start-SOC kann durch einen Zustandsbeobachter 23, wie z. B. ein Kalmanfilter, ermittelt werden.A feedback gain 22 one out of the comparison 24 resulting observation error e (t) can be determined according to Luenberger or Kalman, preferably in such a way that the observation error e (t) abates asymptotically, ie goes to zero. The SOC is thereby reconstructed from the measured variables and charging or discharging current of the cell I (t), cell temperature T (t) and cell voltage U (t). A start SOC can be done by a state observer 23 , such as As a Kalman filter can be determined.

Um in einem in 2 dargestellten Anwendungsfall vorzugsweise zeitgleich bzw. zeitnah zum Zeitpunkt t eine Vorhersage des SOC zu erhalten, muss dem Simulationsmodell 21 ein Algorithmus zugrunde liegen, welcher ohne rechenintensive und potentiell numerisch instabile Modelle mit zeitvarianten Parametern bzw. Kennfeldern auskommt.To be in an in 2 shown application, preferably at the same time or promptly at time t to obtain a prediction of the SOC, the simulation model 21 an algorithm is based, which manages without computation-intensive and potentially numerically unstable models with time-variant parameters or maps.

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 M. DOYLE, T. FULLER, J. NEWMAN „Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell”, Journal of the Electrochemical Society 140 (1993), pp. 1526–1533 , und aus T. FULLER, M. DOYLE, J. NEWMAN, „Simulation and optimization of the dual lithium ion insertion cell”, Journal of the Electrochemical Society 141 (1994), pp. 1–10 bekannten, ein verteiltes System bildenden Simulationsmodell vergleichbare Güte besitzen, im regelungstechnischen Sinn beobachtbar sein, und es darf höchstens etwa jeweils zehn Systemzustände umfassen, um z. B. entsprechend dem Stand der Technik in Bezug auf Rechenleistung und Prozessortechnologie gegenwärtiger Steuergeräte für Kraftfahrzeuganwendungen echtzeitfähig zu sein.For example, for a vehicle application, e.g. B. in a vehicle equipped with a secondary Interkalationszelle motor vehicle, for. As an electric or hybrid vehicle, a provided for a method for determining the SOC of the secondary intercalation cell and formed by such an algorithm simulation model must map the power and temperature-dependent capacity of the intercalation cell, one with a distributed system, for example with a M. DOYLE, T. FULLER, J. NEWMAN "Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium / polymer / insertion cell", Journal of the Electrochemical Society 140 (1993), pp. 1526-1533 , and from T. FULLER, M. DOYLE, J. NEWMAN, "Simulation and Optimization of the Dual Lithium Ion Insertion Cell," Journal of the Electrochemical Society 141 (1994), p. 1-10 known, have a distributed system-forming simulation model comparable quality, be observable in the regulatory sense, and it may comprise at most about each ten system states to z. B. real-time capability according to the prior art in terms of computing power and processor technology of current control devices for automotive applications.

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 21 rückgerechnet wird, bei welchem Simulationsmodell 21 physikalisch-chemische Eigenschaften, wie z. B. eine diffusionsbasierte Konzentration der bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen in der Anode und in der Kathode vereinfacht als jeweils homogen in der Anode und in der Kathode verteilt betrachtet werden, und bei welchem Simulationsmodell 21 jeweils eine Butler-Volmer-Reaktionskinetik für die Anode und für die Kathode berechnet wird. Die Maßnahme einer homogen verteilten Betrachtung stellt sicher, dass das Simulationsmodell 21 nur wenige Systemzustände umfasst, so dass der zugrunde liegende Algorithmus echtzeitfähig ist. Um die Genauigkeit eines verteilten Systems zu erhalten ohne dessen Nachteile wie z. B. mangelnden Echtzeitfähigkeit in Kauf nehmen zu müssen, ist darüber hinaus vorgesehen, die Butler-Volmer-Reaktionskinetik anodenseitig um einen Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Anode zu erweitern.This is ensured by a method for determining the SOC of a secondary intercalation cell having an anode, a cathode, a separator and an electrolyte phase soaking the anode, the cathode and the separator, wherein the state of charge is determined by means of an electrochemical simulation model based on measured variables at the intercalation cell 21 is recalculated in which simulation model 21 physico-chemical properties, such. For example, a diffusion-based concentration of intercalated atoms and / or molecules and / or ions in the anode and in the cathode can be considered as being homogeneously distributed in the anode and in the cathode, and in which simulation model 21 in each case a Butler-Volmer reaction kinetics for the anode and for the cathode is calculated. The measure of a homogeneously distributed consideration ensures that the simulation model 21 only a few system states, so that the underlying algorithm is real-time capable. In order to maintain the accuracy of a distributed system without its disadvantages such. B. lack of real-time ability to accept, is also provided to expand the Butler-Volmer reaction kinetics on the anode side by a potential share in the electrolyte phase of the anode.

Erfindungsgemäß werden in dem Simulationsmodell 21 zur Verfeinerung dessen Güte sich mit dem Ladezustand (SOC) verändernde Diffusionsmechanismen 43, 44 beweglicher Ionen im Aktivmaterial von Anode 11 und Kathode 12 jeweils separat berücksichtigt.According to the invention, in the simulation model 21 to refine its quality with the state of charge (SOC) changing diffusion mechanisms 43 . 44 mobile ions in the active material of anode 11 and cathode 12 each considered separately.

Der Übergangsbereich der sich mit dem Ladezustand (SOC) verändernden Diffusionsmechanismen 43, 44 kann hierbei mit je einer ladezustandsabhängigen Diffusivität bzw. einem ladezustandsabhängigen Diffusionskoeffizienten D = D(SOC) für die Anode 11 und die Kathode 12 bzw. der jeweiligen Elektroden 11, 12 beschrieben werden.The transition region of the diffusion state (SOC) changing diffusion mechanisms 43 . 44 can in this case each with a state of charge-dependent diffusivity or a charge state-dependent diffusion coefficient D = D (SOC) for the anode 11 and the cathode 12 or the respective electrodes 11 . 12 to be discribed.

Beispielsweise kann die ladezustandsabhängige Diffusivität bzw. der ladezustandsabhängige Diffusionskoeffizient D = D(SOC) je für die Anode und die Kathode gemäß D(SOC) = Dref·½·(1 + tanh{–γ·(SOC – δ)}) berechnet werden. Hierbei bezeichnet Dref einen Standardwert für ein bestimmtes Aktivmaterial der jeweiligen Elektrode 11, 12 bei interstitieller Diffusion. γ und δ können zu bestimmende Parameter sein. Die verwendete hyperbolische Tangensfunktion bzw. der verwendete Tangens Hyperbolicus (tanh) gewährleistet numerische Stabilität bei der Abbildung des Sprungs des Diffusionskoeffizienten zwischen den Ladezuständen.For example, the charge-state-dependent diffusivity or the charge-state-dependent diffusion coefficient D = D (SOC) depending for the anode and the cathode according to FIG D (SOC) = D ref * ½ (1 + tanh {-γ * (SOC-δ)}) be calculated. Here D ref denotes a standard value for a specific active material of the respective electrode 11 . 12 with interstitial diffusion. γ and δ can be parameters to be determined. The used hyperbolic tangent function or hyperbolic tangent (tanh) ensures numerical stability in the mapping of the jump of the diffusion coefficient between the states of charge.

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 40 einer in 4 dargestellten Spannungserholung beispielsweise einer Lithium-Ionen-Zelle nach dem Ausschalten des Laststroms analysiert, lassen sich zwei Effekte beobachten:

  • – 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 in den beiden Elektroden 11, 12, der Anode 11 und der Kathode 12, zurückführen.
  • – Die beiden Zeitkonstanten τanode, τcathode ändern sich sprungartig ab bestimmten SOC.
Becomes a course 40 one in 4 Analyzing the voltage recovery of, for example, a lithium-ion cell after switching off the load current, two effects can be observed:
  • - 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 two electrodes 11 . 12 , the anode 11 and the cathode 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 H. MEHRER „Diffusion in Solids”, Springer Series in Solid-State Sciences, Springer Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2007 sind die sprungartigen Änderungen auf einen Wechsel des zu Grunde liegenden Diffusionsmechanismus zurückzuführen. Dabei entspricht die Größenordnung, um die sich die zwei Zeitkonstanten τanode, τcathode in etwa unterscheiden, dem Verhältnis der Diffusionskoeffizienten des Aktivmaterials von Anode 11 und Kathode 12 zueinander. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, diese nachweisbare, sprunghafte Änderung der zu Grunde liegenden Diffusionsmechanismen in dem Simulationsmodell 21 zu berücksichtigen.The invention takes these two observations into account in the calculation of the SOC by means of an electrochemical simulation model. The two time constants τ, here τ anode , τ cathode , characterize the material or ion transport in the active material of the electrodes, where D ~ 1 / τ. To H. MORE "Diffusion in Solids", Springer Series in Solid-State Sciences, Springer Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2007 the sudden changes are due to a change in the underlying diffusion mechanism. The order of magnitude by which the two time constants τ anode , τ cathode differ approximately corresponds to the ratio of the diffusion coefficients of the active material of the anode 11 and cathode 12 to each other. The inventive method allows this detectable, abrupt change in the underlying diffusion mechanisms in the simulation model 21 to take into account.

Vorzugsweise basiert das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Simulationsmodell 21 auf dem aus S. SANTHANAGOPALAN, R. E. WHITE „Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell”, Journal of Power Sources 161 (2006), pp 1346–1355 bekannten, echtzeitfähigen Single-Particle-Modell, bei dem die Butler-Volmer-Reaktionskinetik erfindungsgemäß anodenseitig um einen Potenzialanteil in der Elektrolytphase der Anode erweitert ist.The simulation model on which the method according to the invention is based is preferably based 21 on the off S. SANTHANAGOPALAN, RE WHITE "Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell", Journal of Power Sources 161 (2006), pp 1346-1355 known, real-time capable single-particle model in which the Butler-Volmer reaction kinetics according to the invention is extended on the anode side by a potential component in the electrolyte phase of the anode.

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 S. SANTHANAGOPALAN, R. E. WHITE „Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell”, Journal of Power Sources 161 (2006), pp 1346–1355 sowohl bei Lade-, als auch bei Entladeströmen > 3 C die Genauigkeit z. B. der aus M. DOYLE, T. FULLER, J. NEWMAN „Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell”, Journal of the Electrochemical Society 140 (1993), pp. 1526–1533 , und aus T. FULLER, M. DOYLE, J. NEWMAN, „Simulation and optimization of the dual lithium ion insertion cell”, Journal of the Electrochemical Society 141 (1994), pp. 1–10 bekannten verteilten Systeme erreicht. Rechenzeit und Anzahl Systemzustände bleiben dagegen auf dem Niveau eines Lumped-Parameter-Systems, wie z. B. dem Single-Particle-Modell.This is deviating too S. SANTHANAGOPALAN, RE WHITE "Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell", Journal of Power Sources 161 (2006), pp 1346-1355 both with charging and discharge currents> 3 C accuracy z. B. from M. DOYLE, T. FULLER, J. NEWMAN "Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium / polymer / insertion cell", Journal of the Electrochemical Society 140 (1993), pp. 1526-1533 , and from T. FULLER, M. DOYLE, J. NEWMAN, "Simulation and Optimization of the Dual Lithium Ion Insertion Cell," Journal of the Electrochemical Society 141 (1994), p. 1-10 achieved known distributed systems. Computing time and number of system states, however, remain at the level of a lumped parameter system, such. B. the single-particle model.

Ein elektrochemisches Simulationsmodell 21 ist in 3 in seinen wesentlichen Komponenten dargestellt. Es umfasst eine Butler-Volmer-Reaktionskinetik 31 für die Anode 35, eine Butler-Volmer-Reaktionskinetik 32 für die Kathode 36, eine vereinfachte, über das Volumen der Anode 35 gemittelte Berechnung 33 der Konzentration der bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen in der Anode 35 und eine vereinfachte, über das Volumen der Kathode 36 gemittelte Berechnung 34 der Konzentration der bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen in der Kathode 36. Ferner kann ein wie durch den Pfeil 38 angedeutet durch Konvektion und/oder Strahlung an die Umgebung abgegebener Wärmestrom 30 aus der ohmschen Leistung berücksichtigt werden. Die Butler-Volmer-Reaktionskinetik 31 ist anodenseitig um eine Abschätzung 37 des Potenzialanteils in der Elektrolytphase der Anode 35 erweitert. Der Lade- bzw. Entladestrom I bildet die Eingangsgröße, die Zellspannung U und die Zelltemperatur T sowie der SOC bilden die Ausgangsgrößen des Simulationsmodells 21.An electrochemical simulation model 21 is in 3 shown in its essential components. It includes Butler-Volmer reaction kinetics 31 for the anode 35 , a Butler-Volmer reaction kinetics 32 for the cathode 36 , a simplified, about the volume of the anode 35 averaged calculation 33 the concentration of the intercalated atoms and / or molecules and / or ions in the anode 35 and a simplified, about the volume of the cathode 36 averaged calculation 34 the concentration of the atoms intercalated during the intercalation and / or molecules and / or ions in the cathode 36 , Furthermore, as indicated by the arrow 38 indicated by convection and / or radiation delivered to the environment heat flow 30 be taken from the ohmic performance. Butler-Volmer reaction kinetics 31 is on the anode side an estimate 37 the potential component in the electrolyte phase of the anode 35 extended. The charge or discharge current I forms the input variable, the cell voltage U and the cell temperature T and the SOC form the output variables of the simulation model 21 ,

Die erfindungsgemäße Berücksichtigung der unterschiedlichen Diffusionsmechanismen 43, 44 in dem Simulationsmodell 21 findet vorzugsweise innerhalb der Berechnungen 33, 34 statt.The inventive consideration of the different diffusion mechanisms 43 . 44 in the simulation model 21 preferably takes place within the calculations 33 . 34 instead of.

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 ηs,a = Φs,a – Ua(cs,a) – Φ2(k, I, L) – ΦSEI ergibt, mit dem Spannungsabfall Φs,a in der festen Phase, d. h. in den aktiven Partikeln der Anode bei einem Lade- bzw. Entladestrom I der Zelle, der Ruhespannung Ua(cs,a) der Anode 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, dem Potenzialabfall ΦSEI durch den Filmwiderstand an der Oberfläche der Anode und dem einem Spannungsabfall entsprechenden Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase der Anode in Abhängigkeit von der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase, dem Lade- bzw. Entladestrom I der Zelle, sowie der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs.The anode-side extension of the Butler-Volmer reaction kinetics by a potential fraction Φ 2 in the electrolyte phase of the anode is preferably such that the overpotential η s, a in the Butler-Volmer reaction kinetics of the anode or the negative electrode to η s, a = Φ s, a - U a (c s, a ) - Φ 2 (k, I, L) - Φ SEI gives, with the voltage drop Φ s, a in the solid phase, ie in the active particles of the anode at a charge or discharge current I of the cell, the rest voltage U a (c s, a ) of the anode as a function of the concentration c s, a of atoms and / or ions embedded in the active particles of the anode during the intercalation, the potential drop Φ SEI through the film resistance at the surface of the anode and the potential component Φ 2 corresponding to a voltage drop (k, I, L ) in the electrolyte phase of the anode as a function of the average conductivity k of the electrolyte phase, the charge or discharge current I of the cell, and the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich.

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 Φ2 = w·k–1·L·I(t) berechnet werden, mit der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase, der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs und dem Lade- bzw. Entladestrom der Zelle I(t) in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase anhand des Lade- bzw. Entladestroms der Zelle I(t) sowie vorzugsweise der Klemmspannung und Zelltemperatur abgeschätzt wird und vorzugsweise mit einer empirischen Gewichtung w gewichtet wird. Die mittlere Leitfähigkeit der Elektrolytphase ergibt so zusammen mit der empirischen Gewichtung w einen Lumping Parameter.The potential component Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase of the anode can according to Φ 2 = w · k -1 · L · I (t) are calculated, with the average conductivity k of the electrolyte phase, the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich and the charge or discharge current of the cell I (t) as a function of time t, wherein the average conductivity k of the electrolyte phase based the charging or discharging current of the cell I (t) and preferably the clamping voltage and cell temperature is estimated and is preferably 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.

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 Φ2 = 0.7·k–1·L·I(t) ergibt.Particularly preferably, the weighting w is selected with w = 0.7, so that the potential portion Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase of the anode to Φ 2 = 0.7 · k -1 · L · I (t) results.

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 V. SUBRAMANIAN, V. DIWAKAR, D. TAPRIYAL „Efficient macro-micro scale coupled modeling of batteries”, Journal of The Electrochemical Society 152 (2005), A2002–A2008 bekanntes Polynom vierter Ordnung berechnet werden.Alternatively, the mean conductivity k of the electrolyte phase can be taken from the parameter set of a distributed model. The concentration c s, a of embedded in the active particles of the anode during the intercalation atoms and / or molecules and / or ions may, for. B. over one V. SUBRAMANIAN, V. DIWAKAR, D. TAPRIYAL "Efficient macro-micro scale coupled modeling of batteries", Journal of Electrochemical Society 152 (2005), A2002-A2008 known fourth-order polynomial.

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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Claims (17)

Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands (SOC) einer sekundären Interkalationszelle (01) mit einer Anode (11), einer Kathode (12), einem Separator und einer die Anode (11), die Kathode (12) und den Separator durchtränkenden Elektrolytphase (10), wobei der Ladezustand (SOC) anhand von an der Interkalationszelle (01) gemessener Messgrößen (06, 07, 08) mittels eines elektrochemischen Simulationsmodells (21) rückgerechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit dem Ladezustand (SOC) verändernde Diffusionsmechanismen (43, 44) beweglicher Ionen im Aktivmaterial von Anode (11) und Kathode (12) jeweils separat in dem Simulationsmodell (21) berücksichtigt werden.Method for determining the state of charge (SOC) of a secondary intercalation cell ( 01 ) with an anode ( 11 ), a cathode ( 12 ), a separator and an anode ( 11 ), the cathode ( 12 ) and the separator impregnating electrolyte phase ( 10 ), wherein the state of charge (SOC) is determined on the basis of the intercalation cell (SOC) 01 ) measured quantities ( 06 . 07 . 08 ) by means of an electrochemical simulation model ( 21 ) is recalculated, characterized in that with the state of charge (SOC) changing diffusion mechanisms ( 43 . 44 ) mobile ions in the active material of anode ( 11 ) and cathode ( 12 ) each separately in the simulation model ( 21 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich der sich mit dem Ladezustand (SOC) verändernden Diffusionsmechanismen (43, 44) mit je einem ladezustandsabhängigen Diffusionskoeffizienten D = D(SOC) für die Anode (11) und die Kathode (12) beschrieben wird.Method according to Claim 1, characterized in that the transition region of the diffusion mechanisms (SOC) which change with the state of charge (SOC) 43 . 44 ) each having a charge-state-dependent diffusion coefficient D = D (SOC) for the anode ( 11 ) and the cathode ( 12 ) is described. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ladezustandsabhängige Diffusionskoeffizient D = D(SOC) je für die Anode (11) und die Kathode (12) gemäß D(SOC) = Dref·½·(1 + tanh{–γ·(SOC – δ)}) berechnet wird, mit einem Standardwert Dref für ein bestimmtes Aktivmaterial der jeweiligen Elektrode (11, 12) bei interstitieller Diffusion.Method according to Claim 2, characterized in that the charge-state-dependent diffusion coefficient D = D (SOC) per respective anode ( 11 ) and the cathode ( 12 ) according to D (SOC) = D ref * ½ (1 + tanh {-γ * (SOC-δ)}) calculated with a default D ref for a given active material of the respective electrode ( 11 . 12 ) with interstitial diffusion. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das elektrochemische Simulationsmodell (21) vor und/oder während und/oder nach Einschalten einer elektrischen Last gewonnene Messgrößen (06, 07, 08) zumindest mit einfließen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the electrochemical simulation model ( 21 ) measured quantities obtained before and / or during and / or after switching on an electrical load ( 06 . 07 . 08 ) at least include. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das elektrochemische Simulationsmodell (21) eine Spannungserholung der Interkalationszelle (01) nach Wegnahme der elektrischen Last zumindest mit einfließt.Method according to claim 4, characterized in that in the electrochemical simulation model ( 21 ) a voltage recovery of the intercalation cell ( 01 ) at least with the removal of the electrical load. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Simulationsmodell (21) physikalisch-chemische Eigenschaften in der Anode (11) und der Kathode (12) vereinfacht als jeweils über die Anode (11) und die Kathode (12) gemittelt betrachtet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the simulation model ( 21 ) physico-chemical properties in the anode ( 11 ) and the cathode ( 12 ) than in each case via the anode ( 11 ) and the cathode ( 12 ) are averaged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Simulationsmodell (21) jeweils eine Butler-Volmer-Reaktionskinetik für die Anode (11) und für die Kathode (12) berechnet wird, wobei die Butler-Volmer-Reaktionskinetik anodenseitig um einen Potenzialanteil (Φ2) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) erweitert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the simulation model ( 21 ) in each case a Butler-Volmer reaction kinetics for the anode ( 11 ) and for the cathode ( 12 ), wherein the Butler-Volmer reaction kinetics on the anode side by a potential component (Φ2) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) is extended. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur anodenseitigen Erweiterung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik um einen Potenzialanteil (Φ2) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) der Potenzialanteil (Φ2) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) abgeschätzt wird, durch – Strom I(t); – mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase; – mindestens einen Korrekturfaktor bzw. eine Gewichtung w.A method according to claim 7, characterized in that for the anode-side extension of the Butler-Volmer reaction kinetics by a potential component (Φ 2 ) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) the potential component (Φ 2 ) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) is estimated by - current I (t); - average conductivity k of the electrolyte phase; At least one correction factor or weight w. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur anodenseitigen Erweiterung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik der Potenzialanteil (Φ2) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) anhand des Lade- bzw. Entladestroms (I(t)) der Zelle, der mittleren Leitfähigkeit (k) der Elektrolytphase (10) und der Dicke (L) eines Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs abgeschätzt wird.A method according to claim 7, characterized in that for the anode-side extension of the Butler-Volmer reaction kinetics of the potential component (Φ 2 ) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) based on the charge or discharge current (I (t)) of the cell, the average conductivity (k) of the electrolyte phase ( 10 ) and the thickness (L) of an anode-separator-cathode sandwich is estimated. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überpotenzial ηs,a der um den Potenzialanteil (Φ2) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) erweiterten Butler-Volmer-Reaktionskinetik der Anode gemäß ηs,a = Φs,a – Ua(cs,a) – Φ2(k, I, L) – ΦSEI berechnet wird, mit dem Spannungsabfall Φs,a in der festen Phase bei einem Lade- bzw. Entladestrom I der Zelle, der Ruhespannung Ua(cs,a) der Anode in Abhängigkeit von der Konzentration cs,a von in der Anode (11) bei der Interkalation eingelagerten Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen, dem Potenzialabfall ΦSEI durch den Filmwiderstand an der Oberfläche der Anode (11) und dem Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) in Abhängigkeit von der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase (10), dem Lade- bzw. Entladestrom I der Zelle, sowie der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs.A method according to claim 9, characterized in that the overpotential η s, a of the potential component (Φ 2 ) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) extended Butler-Volmer reaction kinetics of the anode according to η s, a = Φ s, a - U a (c s, a ) - Φ 2 (k, I, L) - Φ SEI is calculated, with the voltage drop Φ s, a in the solid phase at a charge or discharge current I of the cell, the rest voltage U a (c s, a ) of the anode as a function of the concentration c s, a of in the anode ( 11 ) embedded in the intercalation atoms and / or molecules and / or ions, the potential drop Φ SEI by the film resistance at the surface of the anode ( 11 ) and the potential component Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) as a function of the average conductivity k of the electrolyte phase ( 10 ), the charging or discharging current I of the cell, as well as the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Potenzialanteil Φ2(k, I, L) in der Elektrolytphase (10) der Anode (11) gemäß Φ2 = k–1·L·I(t) berechnet wird, mit der mittleren Leitfähigkeit k der Elektrolytphase (10), der Dicke L des Anoden-Separator-Kathoden-Sandwichs und dem Lade- bzw. Entladestrom der Zelle I(t) in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase (10) anhand des Lade- bzw. Entladestroms der Zelle I(t) abgeschätzt wird.A method according to claim 10, characterized in that the potential component Φ 2 (k, I, L) in the electrolyte phase ( 10 ) of the anode ( 11 ) according to Φ 2 = k -1 · L · I (t) is calculated with the mean conductivity k of the electrolyte phase ( 10 ), the thickness L of the anode-separator-cathode sandwich and the charge or discharge current of the cell I (t) as a function of time t, wherein the average conductivity k of the electrolyte phase ( 10 ) is estimated on the basis of the charge or discharge current of the cell I (t). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leitfähigkeit k der Elektrolytphase (10) mit einer Gewichtung w gewichtet wird. Method according to claim 10 or 11, characterized in that the mean conductivity k of the electrolyte phase ( 10 ) is weighted with a weight w. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand anhand der Messgrößen Zelltemperatur und/oder Zellspannung (08) und/oder Lade- bzw. Entladestrom (06, 07) der Zelle (01) rückgerechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the state of charge based on the measured quantities cell temperature and / or cell voltage ( 08 ) and / or charging or discharging current ( 06 . 07 ) of the cell ( 01 ) is recalculated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (11) und die Kathode (12) bei der Berechnung der Butler-Volmer-Reaktionskinetik jeweils 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 (11, 12) hochgerechnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the anode ( 11 ) and the cathode ( 12 ) in the calculation of Butler-Volmer reaction kinetics in each case simplified as a spherical particle are considered, within which the physico-chemical properties are distributed spherically, and their surfaces preferably by means of a shape factor and the electrode volume, taking into account the porosity on the entire respective Electrode ( 11 . 12 ) are extrapolated. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften in der Anode (11) und in der Kathode (12) anhand der jeweils zuletzt berechneten physikalischchemischen Eigenschaften in der Anode (11) und in der Kathode (12) und anhand der physikalisch-chemischen Eigenschaften an der Oberfläche der Anode (11) und der Kathode (12) berechnet werden.Process according to claim 14, characterized in that the physico-chemical properties in the anode ( 11 ) and in the cathode ( 12 ) based on the respectively last calculated physico-chemical properties in the anode ( 11 ) and in the cathode ( 12 ) and the physical-chemical properties at the surface of the anode ( 11 ) and the cathode ( 12 ) be calculated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils in der Anode (11) und in der Kathode (12) 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 (11) und in der Kathode (12) umfassen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that each in the anode ( 11 ) and in the cathode ( 12 ) considered as homogeneously distributed physicochemical properties, at least the concentration of the intercalation stored atoms and / or molecules and / or ions in each case in the anode ( 11 ) and in the cathode ( 12 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der sekundären Interkalationszelle (01) um eine Lithium-Ionen-Interkalationszelle (01) handelt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is in the secondary intercalation cell ( 01 ) around a lithium-ion intercalation cell ( 01 ).
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