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BayWISS-Kolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe www.baywiss.de

Projekte im Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

© Nathan Anderson / unsplash.com'

Alterung von Li-Ionen Batteriezellen - Modellparameterextraktion und multikriteriell optimierte experimentelle Versuchsplanung

Lithium-Ionen-Batterien gewinnen mit fortschreitender Energiewende zunehmend an Bedeutung. Neben dem Einsatz in der Elektromobilität basieren zunehmend größere Energiespeichersysteme auf elektrochemischen Batteriespeichern. Mit zunehmendem Alter und durch Belastung ist eine Degradation der Li-Ionen-Batterien zu beobachten, was sowohl für die Planung als auch den Betrieb solcher Speicher eine große Herausforderung darstellt. Diese Degradation setzt sich aus kalendarischen und zyklischen Alterungseffekten zusammen, wobei die kalendarische Alterung ohne Belastung mitzunehmendem Alter der Batteriezelle auftritt. Zyklische Alterung beschreibt die Degradation der Zelle durch Laden und Entladen. Zwar existieren bereits eine Reihe brauchbarer Modelle zum Verständnis und zur Abbildung dieses Alterungsverhaltens. Die Bestimmung der Parameter solcher Modelle erfordert jedoch zeit- und kostenintensive Experimente. Weiterhin ist die Alterung abhängig vom Batterietyp, von den chemischen Eigenschaften der Batterie, von Umgebungseinflüssen sowie vom Nutzungsverhalten. Die Übertragbarkeit der existierenden Modelle auf andere Zelltypen ist nicht gegeben, was eine individuelle Vermessung des Batterieverhaltens notwendig macht. Die Effizienz und Effektivität der durchzuführenden Experimente zur Extraktion von Modellparametern soll durch einen systematischen, multikriteriellen Ansatz, basierend auf der Theorie der Optimalen Versuchsplanung, optimiert werden. Der hierbei entstehende generische Prozess hilft dabei, wesentliche Aspekte der Alterung von Batterieelektrische Speichersysteme mit minimalem Einsatz an Ressourcen in gewünschter Genauigkeit zu modellieren.

Die angestrebte Promotion findet im Rahmen des Projekts Batteriealterung und Pareto-optimale Betriebsstrategie statt. Dabei wird das Alterungsverhalten einer kommerziell verfügbaren Samsung 21700-50E NCA-Li-Ionen Zelle umfassend charakterisiert. Die in zwei getrennte Messkampagnen angelegten Experimente unterscheiden sich in deren Versuchsplänen. Der erste Versuchsplan stellt den gesamten Versuchsraum ohne Annahmen und Vorwissen auf Basis eines statistischen Samplings dar, wohingegen in der zweiten Messreihe gezielt die Testpunkte gewählt werden, die dem Trade-off aus Informationsgehalt und Kosten gerecht werden. Die generierten Daten erlauben einen Vergleich der beiden sich grundsätzlich voneinander unterscheidenden Methoden der Versuchsplanung, was eine quantitative Bewertung des entwickelten Prozesses zulässt. Die Versuche werden auf das Projektkonsortium, bestehend aus Hochschule München, Siemens AG und Intilion GmbH, aufgeteilt und in enger Abstimmung durchgeführt.

MITGLIED IM KOLLEG

seit

Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

Betreuer Hochschule für angewandte Wissenschaften München:
Betreuer Universität der Bundeswehr München:

Publikationen

Palm, N.*, Stroebl, F.*, & Palm, H. (2022). Parameter Individual Optimal Experimental Design and Calibration of Parametric Models. IEEE Access, 10, 112515–112528. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3216364

*: Equal contribution, ordered alphabetically by name.

Monzen, N., Stroebl, F., Palm, H., & Hackl, C. M. (2024). Multiobjective Hyperparameter Optimization of Artificial Neural Networks for Optimal Feedforward Torque Control of Synchronous Machines. IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, 5, 41–53. https://doi.org/10.1109/OJIES.2024.3356721

Pohlmann, S., Mashayekh, A., Stroebl, F., Karnehm, D., Kuder, M., Neve, A., & Weyh, T. (2024). State-of-Health prediction of lithium-ion batteries based on a low dimensional Gaussian Process Regression. Journal of Energy Storage, 88. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111649

Forschungsaufenthalte

Stanford University, Stanford, CA, USA. Energy Control Lab (Simona Onori), Research on Long-Term Calendar Aging across Commercial Lithium-Ion Cell Chemistries (May – October 2024)

Florian Ströbl

Florian Ströbl

Hochschule für angewandte Wissenschaften München

Koordination

Treten Sie mit uns in Kontakt. Wir freuen uns auf Ihre Fragen und Anregungen.

Laura Rosenkranz

Laura Rosenkranz

Koordinatorin BayWISS-Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

Universität Bayreuth
Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Prof.-Rüdiger-Bormann-Str. 1
95447 Bayreuth

Telefon: +49 092155 6635
ressourceneffizienz-werkstoffe.vk@baywiss.de

Dr. Nataliya Yadzhak

Dr. Nataliya Yadzhak

Koordinatorin BayWISS-Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

Universität Bayreuth
Lehrstuhl Metallische Werkstoffe
Prof.-Rüdiger-Bormann-Str. 1
95447 Bayreuth

Telefon: +49 092155 6613
ressourceneffizienz-werkstoffe.vk@baywiss.de