Battery Management and Monitoring

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In der Forschungsgruppe Batteriemanagement & Monitoring wird an der Entwicklung und Etablierung zerstörungsfreier Methoden der test- und modellbasierten elektrochemischen Charakterisierung von Voll- und Halbzellen zur Erforschung des Verhaltens hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Alterung und Gefährdungspotential gearbeitet. Zielsetzung ist die Entwicklung von modellbasierten Algorithmen für Batteriemanagementsysteme (BMS) zur Erreichung eines sicheren, zuverlässigen und langlebigen Betriebs der Batterie.

Zur Klasse der bis heute entwickelten Lithium-Ionen-Batterien zählt eine Vielzahl von Zellen verschiedener Elektrodenmaterialien, Materialkombinationen und Zellgrößen. Zudem unterscheiden sich Zellen auf Komponentenebene in ihrem eingesetzten Elektrolyten, den zugesetzten Additiven, dem Separator, in der Elektrodenstrukturierung bzw. -morphologie, in der Elektrodendimensionierung und dem Zelldesign. Diese Variationen führen zu unterschiedlichen Eigenschaften z.B. in der Spannungslage, der Stromfestigkeit, dem Innenwiderstand, der Energie- und Leistungsdichte und dem Alterungs- bzw. Sicherheitsverhalten der Zellen.

 

Zur Vermessung von kommerziellen Zellen bzw. Prototypzellen stehen als messbare Größen im Wesentlichen nur die Spannung, die Stromstärke und die Temperatur zur Verfügung. Um Akkumulatoren zu charakterisieren sowie neue Materialien und Änderungen des Elektroden- oder Zelldesign zu evaluieren werden in der Forschungsgruppe zerstörungsfreie Methoden für Vollzellen eingesetzt und entwickelt, die auf der Vermessung der Zellkapazität, des Innenwiderstands und des Spannungsverlaufs basieren. Abgeleitet aus diesen Messungen kann auf das Leistungsvermögen, die Energie und den Wirkungsgrad sowie auf deren Temperaturabhängigkeiten geschlossen werden.

 

Ein weiterer, für die Anwendung wesentlicher Aspekt ist das Alterungsverhalten und die zu erwartende Lebensdauer der Batterie. In testbasierten Alterungsuntersuchungen stehen die messbaren Alterungseffekte des Kapazitätsverlusts, des Innenwiderstandsanstiegs und der Selbstentladung im Fokus. Zur Aufklärung der darunterliegenden Alterungsmechanismen und der Alterungsursachen werden vertiefende Analysen durchgeführt. Basierend auf beobachtetem und analysiertem Alterungsverhalten können Alterungsmodelle abgeleitet werden.

 

Die Sicherstellung von Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Betriebssicherheit der untersuchten Batterien basiert auf der Bestimmung von Grenzwerten der Betriebsgrößen Temperatur, Spannung und Strom sowie der nicht direkt messbaren Zustandsgröße des Ladezustands. Zur Einhaltung der festgelegten Grenzwerte im Betrieb muss die Zelle überwacht (Monitoring) und der Lade- und Alterungszustand geschätzt werden. Das Batteriemanagementsystem (BMS) steuert zudem die Batteriestrombelastung und die Temperatur, so dass keine beschleunigte Degradation und keine sicherheitskritischen Zustände der Zellen auftreten. Die Forschungsgruppe Batteriemanagement & Monitoring arbeitet an der Fortentwicklung der entsprechenden Algorithmen für das BMS.

 

Dr. Olaf BösePrincipal Investigator (PI)Tel: +49 (0731) 9530 615Mail: olaf.boese(at)zsw-bw.de
ForschungsgruppeBattery Management and Monitoring
Magdalena MandlPhD StudentTel: +49 (0731) 50 34704Mail: magdalena.mandl(at)kit.edu
ForschungsgruppeBattery Management and Monitoring
Peter SteinmüllerPhD StudentTel: +49 (0731) 9530 552Mail: peter.steinmueller(at)kit.edu
ForschungsgruppeBattery Management and Monitoring

(images will be uploaded shortly)

 

The working group focuses on the characterisation and modelling of commercial and novel lithium-ion batteries. Research basis is the advancement of non-destructive methods for online analysis of the battery behaviour.

 

Efficient and safe operation of modern lithium-ion batteries is crucial for their commercial success. A battery management system (BMS) controls and monitors the cell characteristics during operation in order to provide high performance, longevity and safety. However, the BMS is reliant on comprehensive and fast information about the current cell properties.

 

This is only possible by non-destructive electrochemical characterisation methods:
• Differential Capacity and Voltage Analysis (DCA / DVA)
• Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
• Distribution of Relaxation Times (DRT)

 

The methods are enhanced for the elucidation of specific battery features.

 

Furthermore, the aging behaviour at severe operating conditions is investigated with the aforementioned techniques. Understanding the degradation effects of low temperature charging is the main topic in this context. It is well known that metallic lithium deposition (lithium plating) can occur under these conditions. Non-destructive methods are applied for detection and characterisation of the lithium plating process.

(information will be uploaded shortly)

Zeitschriftenaufsatz
Binder Markus, Mandl Magdalena, Zaubitzer Steve, Wohlfahrt‐Mehrens Margret, Passerini Stefano, Böse Olaf, Danzer Michael A., Marinaro Mario
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Zeitschriftenaufsatz
Mandl Magdalena, Becherer Julian, Kramer Dominik, Mönig Reiner, Diemant Thomas, Behm R. Jürgen, Hahn Markus, Böse Olaf, Danzer Michael A.
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Mitglieder
Dr. Olaf BösePrincipal Investigator (PI)Tel: +49 (0731) 9530 615Mail: olaf.boese(at)zsw-bw.de
ForschungsgruppeBattery Management and Monitoring
Magdalena MandlPhD StudentTel: +49 (0731) 50 34704Mail: magdalena.mandl(at)kit.edu
ForschungsgruppeBattery Management and Monitoring
Peter SteinmüllerPhD StudentTel: +49 (0731) 9530 552Mail: peter.steinmueller(at)kit.edu
ForschungsgruppeBattery Management and Monitoring
Forschung

(images will be uploaded shortly)

 

The working group focuses on the characterisation and modelling of commercial and novel lithium-ion batteries. Research basis is the advancement of non-destructive methods for online analysis of the battery behaviour.

 

Efficient and safe operation of modern lithium-ion batteries is crucial for their commercial success. A battery management system (BMS) controls and monitors the cell characteristics during operation in order to provide high performance, longevity and safety. However, the BMS is reliant on comprehensive and fast information about the current cell properties.

 

This is only possible by non-destructive electrochemical characterisation methods:
• Differential Capacity and Voltage Analysis (DCA / DVA)
• Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
• Distribution of Relaxation Times (DRT)

 

The methods are enhanced for the elucidation of specific battery features.

 

Furthermore, the aging behaviour at severe operating conditions is investigated with the aforementioned techniques. Understanding the degradation effects of low temperature charging is the main topic in this context. It is well known that metallic lithium deposition (lithium plating) can occur under these conditions. Non-destructive methods are applied for detection and characterisation of the lithium plating process.

Equipment

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  • 8 channel Solartron Cell Test System (1470E potentiostat with 1455A FRA modules) for high sensitivity impedance measurements
  • 32 channel Basytec Cell Test System (CTS) with Gamry 750 FRA card (max. output current 5A)
  • 2x Basytec GSM Cycler (max. output power 600W/Channel)
  • 2x Espec PU-2KP low temperature climate chamber (225L usable volume, operates -40°C – 100°C, resolution +/-0,3°C)
Zusammenarbeit

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Publikationen
Zeitschriftenaufsatz
Binder Markus, Mandl Magdalena, Zaubitzer Steve, Wohlfahrt‐Mehrens Margret, Passerini Stefano, Böse Olaf, Danzer Michael A., Marinaro Mario
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Mandl Magdalena, Becherer Julian, Kramer Dominik, Mönig Reiner, Diemant Thomas, Behm R. Jürgen, Hahn Markus, Böse Olaf, Danzer Michael A.
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