Exemplarische Untersuchung des Alterungseinflusses auf die frequenzabhängige Impedanz von Lithium-Ionen-Zellen

Julius GRAMM, AVL Software and Functions GmbH

 

 

Um Simulationen von HV-Bordnetzen auf Systemebene durchführen zu können, ist es notwendig, dass von allen Hauptkomponenten entsprechend validierte Modelle zur Verfügung stehen. Eine wichtige Hauptkomponente ist die HV-Traktionsbatterie. Mit fortschreitender Alterung verändern sich die elektrischen Eigenschaften der, in der HV-Batterie verbauten, Lithium-Ionen-Zellen. Es ist daher dringend erforderlich Batteriemodelle, die auf den vermessenen Eigenschaften fabrikneuer Zellen basieren, auf ihre Gültigkeit für den gesamten Lebenszyklus der Zellen zu überprüfen und die Simulationsmodelle mit den dabei gewonnenen Erkenntnissen zur Alterung entsprechend zu erweitern.

In diesem Beitrag wird daher der Einfluss der Alterung auf die frequenzabhängige Impedanz von Lithium-Ionen-Zellen untersucht. Besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Bereich typischer Schaltfrequenzen in Fahrzeugen mit Elektroantrieb. Dazu werden die an einem vektorbasierten Network Analyzer mittels S-Parametermessung ermittelten Impedanzverläufe gealterter, neuwertiger und defekter Zellen der Bauform 18650 im Bereich von 10 Hz bis 100 MHz verglichen. Eine solche Darstellung der Zellimpedanz bis in den EMV relevanten Frequenzbereich, größer 150 kHz, stellt dabei eine wichtige Neuerung dar, die in der Literatur bisher nicht zu finden ist.

Anschließend werden die Messdaten den Simulationsergebnissen eines mit dem „State of Health“ parametrisierbaren, verhaltensbasierten SPICE-Modells gegenübergestellt. Diese Resultate zeigen im Vergleich zu den Erkenntnissen aus [1] und [2], dass sich der Einfluss der Alterung, abhängig vom Zelltyp, bis in den zweistelligen kHz-Bereich erstreckt. Die wichtigste Alterungserscheinung in diesem Frequenzbereich ist ein signifikanter Anstieg der Zellimpedanz, welcher durch einen alterungsbedingten Anstieg des Innenwiderstandes verursacht wird. Herauszustellen ist außerdem, dass für den typischen EMV relevanten Frequenzbereich, größer 150 kHz, kein signifikanter Unterschied im Impedanzverhalten der neuwertigen, gebrauchten und der defekten Zellen zu verzeichnen ist.

 

[1] Wladislaw Waag, et al., In: Applied Energy 102 (13. Okt. 2012), S. 885–897.
[2] D. Andre, et al. In: Journal of Power Sources 196 (12. Jan. 2011).