Parametrisierung einer Ersatzschaltung für Li-Ionenzellen durch elektrochemisch-kalorimetrische Messungen und Implementierung in der Entwurfsplattform COSIDE

Im BMBF-Verbundprojekt IKEBA arbeiten Partner aus Industrie und Wissenschaft daran, die Reichweite aktueller Elektrofahrzeuge durch bessere Ausnutzung der Reserven der eingesetzten Lithium-Ionenbatterien zu erhöhen. Mittels einer virtuellen Entwurfsplattform können die Eignung und das Zusammenspiel ausgewählter Hardwarekomponenten (Li-Ionenzellen und Halbleiterschaltungen zum Batteriemonitoring) und der Batteriemanagement-Software überprüft und der Entwurf der Software unterstützt werden. Für die Simulationen im Entwurfsprozess sind schnelle Algorithmen und schnell auswertbare Modelle erforderlich. Deshalb wird die von IIS/EAS entwickelte Entwurfsplattform COSIDE eingesetzt. Ein wichtiger Aspekt ist die Bereitstellung genauer und effizienter Modelle der Li-Ionenzellen. Schwerpunkt der hier gezeigten Arbeiten ist die Spezifikation des Zellmodells durch IIS/EAS und die Parametrisierung durch elektrochemisch-kalorimetrische Messungen am IAM-AWP. Es erfolgte eine Implementierung des elektrischen rsatzschaltungsmodells einer Li-Ionenzelle unter Verwendung von SystemC AMS. Um eine schnelle Modellauswertung zu gewährleisten, wurde eine spezielle Modellierungstechnik entwickelt, die es erlaubt, die Simulation des analogen Teils in jedem Zeitschritt auf ein lineares Problem zurückzuführen. ... mehrDas elektrische Modell besteht aus dem Innenwiderstand der Zelle und aus 2 parallelen RC-Gliedern. Die aktuellen Werte dieser Elemente sind Funktionen des Ladezustands (State of Charge SOC) und der Temperatur und werden durch Lookup-Tabellen (LUT) repräsentiert, deren Werte aus Stromunterbrechungs-messungen (Current Interruption Technique CIT) ermittelt wurden. Die LUT approximieren die realen Funktionen durch Inter- und Extrapolation während der Simulation des BMS-Betriebs. Bei der CIT wird die Zelle in einem Batteriekalorimeter bei vorgegebener Temperatur schrittweise geladen und entladen durch Unterbrechen des Stroms nach Änderung des SOC um einen vorgebenen Prozentsatz, gefolgt von einer definierten Ruhezeit. Aus dem Spannungsabfall und dem Relaxationsverlauf wurden für eine kommerzielle zylindrische Zelle die LUT erstellt. Eine Validierung des Modells erfolgte unter Verwendung des Artemis Urban Driving Cycles. Der Vergleich der mit dem abgeleiteten Stromprofil durchgeführten elektrochemisch-kalorimetrischen Messungen und der Simulationsergebnisse ergab eine gute quantitative Übereinstimmung. Die nächsten Schritte sind die Erweiterung um ein thermisches Modell des Batteriepacks und dessen Einbeziehung in der Entwurfsplattform COSIDE.