Nach dem anhaltenden Trend zur Elektrifizierung im Individualverkehr haben Lithium-Ionen-basierte Batteriesysteme in den letzten Jahren auch in stationären und maritimen Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um die optimale Auslegung und den Betrieb sowie die Verfügbarkeit und Sicherheit dieser investitionsintensiven Anlagen zu gewährleisten, haben sogenannte digitale Zwillinge, die parallel zum physischen System laufen, die Aufmerksamkeit von Forschung und Industrie gleichermaßen auf sich gezogen. Unser Team Einen neuen Ansatz zur Charakterisierung und Modellierung von Elektrische Schwankungen von Zelle zu Zelle in großen Batteriesystemen untersucht.

Digitale Zwillinge für große und investitionsintensive Li-Ionen-Batteriesysteme in maritimen und stationären Anwendungen haben in den letzten Jahren zunehmendes Interesse gefunden. Die Berücksichtigung elektrischer Zell-zu-Zell-Variationen (CtCVs) innerhalb des zugrundeliegenden Batteriemodells eines solchen digitalen Zwillings verspricht verschiedene Vorteile in den Bereichen der modellbasierten Optimierung und der vorausschauenden Wartung. Die bestehenden Ansätze zur Charakterisierung und Modellierung von CtCVs sind jedoch für große Systeme, die aus Tausenden von Einzelzellen bestehen, nicht geeignet.

In diesem Zusammenhang wird in diesem Papier eine ganzheitliche Werkzeugkette vorgestellt, die drei Hauptelemente umfasst: Zunächst wird eine zerstörungsfreie Methode zur In-situ-Bestimmung von Widerstands- und Kapazitätsverteilungen innerhalb eines Batteriesystems vorgestellt. Die Methode wurde an einem kommerziellen Batteriemodul für stationäre Anwendungen evaluiert, das aus 64 Ah Pouch-Zellen in 14s2p-Konfiguration besteht. In einem zweiten Schritt wurden die erhaltenen Verteilungen zur Parametrisierung eines modernen mehrzelligen Batteriemodells verwendet, das die Berechnung der Spannungsverteilung innerhalb des Systems ermöglicht. Die Validierung zeigte, dass das resultierende Modell in der Lage ist, die Spannungsverteilung mit einem mittleren Fehler von 1,1 mV für ein 24-Stunden-Lastprofil zu berechnen.

Im dritten Schritt wurde eine multivariate statistische Analyse auf die erhaltenen Parameter angewandt, um das ursprüngliche Modell zu vereinfachen und dadurch seinen Rechenaufwand zu verringern. Der Vereinfachungsansatz ermöglicht die Berechnung von Hüllspannungskurven, innerhalb derer eine Zufallszelle mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit gefunden werden kann. Im Vergleich zum ursprünglichen Modell war das vereinfachte Modell in der Lage, die Spannungsextrema darzustellen und gleichzeitig die Rechenzeit um den Faktor 27 zu reduzieren. Dies macht das vereinfachte Modell für Live-Digital-Twin-Anwendungen für große Batteriesysteme anwendbar.

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