Modellierung und Simulation von Li-Ionen Batterien

Im Bereich der Elektromobilität werden an den Speicher, hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien, hohe Anforderungen gestellt. Computersimulationen helfen die Performance möglicher neuer Batteriezellen zu beurteilen und die mirkoskopischen Ursachen besser zu verstehen.

BEST - Battery and Electrochemistry Simulation Tool

Logo BEST
© Foto ITWM

Das Battery and Electrochemistry Simulation Tool (BEST) ist unsere Software-Umgebung für die physikbasierte, dreidimensionale Simulation von Lithium-Ionen-Batterien.

»Physikbasiert« bedeutet, dass das Zellverhalten nicht durch ein angepasstes, phänomenologische beschrieben wird, sondern durch ein physikalisches partielles Differentialgleichungsmodell, das den Ladungs-, Ionen- und Energietransport in der Zelle beschreibt. Dieses beruht lediglich auf einem Satz experimentell bestimmbarer Materialparameter.

BESTmicro und BESTmeso

Für das Verhalten einer Batteriezelle sind neben den Materialparametern auch ihre geometrischen Parameter relevant. Hierbei handelt es sich um ein multiskaliges Problem, da sowohl die Mikrostruktur der Elektroden (z. B. Partikelgrößen und -anordnung) wie auch die makroskopischen Abmessungen (z. B. Schichtdicken oder Ausdehnung) Einfluss nehmen.

Für beide Ebenen bietet BEST mit seinen Modulen BESTmicro und BESTmeso die passende Lösung an. In beiden Fällen wird das Batterieverhalten voll dreidimensional berechnet, um die geometrischen Faktoren möglichst korrekt abbilden zu können.

BEST berechnet hierbei nicht nur den zeitlichen Verlauf der Zellspannung für einen gegebenen (Ent-)Ladestrom. Es ist vielmehr möglich auch komplexere zeitabhängige Lasten und CC/CV-Phasen zu betrachten und dafür das Verhalten der virtuellen Zelle zu untersuchen. Die berechneten zeitlich und räumlich variierende Ionen- und Potenzialverteilung erlaubt ein detailliertes Studium der beobachteten Effekte. Durch Kopplung mit thermischen oder mechanischen Effekten oder durch Berechnung des Li-Plating-Risikos bietet BEST auch im Hinblick auf Alterungsberechnung eine solide Grundlage.

Grafische Benutzeroberfläche von BEST
© Foto ITWM

Grafische Benutzeroberfläche von BEST.

BEST Features in der Übersicht

  • Physikalisches Batteriemodell, entwickelt am ITWM                     
  • Nutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche
    • Simulationssetup
    • Kontrolle über beliebige Zahl gleichzeitig laufender Simulatioenn
  • Eingabe Optionen
    • Einfache Implementierung von Funktionen durch den Nutzer für Parameter, Randbedingungen etc.
    • CC und CV-Modus
    • Geometrie-Erstellung
      • Import von GeoDict Strukturen
      • Import von 3d-Daten aus Bilder-Stacks von Messungen
  • Ausgabe Optionen
    • 3d-Daten im vtk oder GeoDict-Format oder als einfache ASCII-Datei
    • SOC und zeitabhängiger Verlauf von Strom und Zellspannung
  • Multithreading
  • Verfügbar für Windows und Linux
  • Verschiedene Lizenzierungsoptionen
  • Nutzerspezifische Software- oder Modellanpassung jederzeit möglich

Publikationen:

  • Micro-Scale Modeling of Li-Ion Batteries: Parameterization and Validation, J. Electrochem. Soc. 159 (2012) A697-A704.
  • A. Latz and J. Zausch: Thermodynamic consistent transport theory of Li-ion batteries, Journal of Power Sources 196 (2011) 3296–3302.

 

Beispielprojekte

 

Batteriezellen mit integrierter Sensorik

Konzeptentwicklung und -prüfung von Zellen, die individuell mit Potential- und Temperatursensoren mit Unterstützung von BEST ausgestattet sind.

 

Volumenänderung und Phasenseparation in Elektrodenmaterialien

Im AiF-Projekt ALIB wurden die bestehenden elektrochemischen Simulationsmodelle von BEST erweitert.

 

Vorhersage der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Das MULTIBAT-Projekt konzentriert sich auf die Vorhersage der Batterielebensdauer.

 

Simulationsgestütztes Design von Brennstoffzellen

Ziel des Forschungsverbunds OPTIGAA ist es, das rechnergestützte Design von Brennstoffzellen zu ermöglichen.

 

XERIC: Klima-Kontrollsystem für Elektrofahrzeuge

Das Projekt XERIC entwickelt ein neues Klima-Kontrollsystem, das in batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen energieeffizienter arbeitet.