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Lithium-ion batteries exhibit a well-known trade-off between energy and power, which is problematic for electric vehicles which require both high energy during discharge (high driving range) and high power during charge (fast-charge capability). We use two commercial lithium-ion cells (high-energy [HE] and high-power) to parameterize and validate physicochemical pseudo-two-dimensional models. In a systematic virtual design study, we vary electrode thicknesses, cell temperature, and the type of charging protocol. We are able to show that low anode potentials during charge, inducing lithium plating and cell aging, can be effectively avoided either by using high temperatures or by using a constant-current/constant-potential/constant-voltage charge protocol which includes a constant anode potential phase. We introduce and quantify a specific charging power as the ratio of discharged energy (at slow discharge) and required charging time (at a fast charge). This value is shown to exhibit a distinct optimum with respect to electrode thickness. At 35°C, the optimum was achieved using an HE electrode design, yielding 23.8 Wh/(min L) volumetric charging power at 15.2 min charging time (10% to 80% state of charge) and 517 Wh/L discharge energy density. By analyzing the various overpotential contributions, we were able to show that electrolyte transport losses are dominantly responsible for the insufficient charge and discharge performance of cells with very thick electrodes.
The accurate diagnosis of state of charge (SOC) and state of health (SOH) is of utmost importance for battery users and for battery manufacturers. State diagnosis is commonly based on measuring battery current and using it in Coulomb counters or as input for a current-controlled model. Here we introduce a new algorithm based on measuring battery voltage and using it as input for a voltage-controlled model. We demonstrate the algorithm using fresh and pre-aged lithium-ion battery single cells operated under well-defined laboratory conditions on full cycles, shallow cycles, and a dynamic battery electric vehicle load profile. We show that both SOC and SOH are accurately estimated using a simple equivalent circuit model. The new algorithm is self-calibrating, is robust with respect to cell aging, allows to estimate SOH from arbitrary load profiles, and is numerically simpler than state-of-the-art model-based methods.
Passive hybridization refers to a parallel connection of photovoltaic and battery cells on the direct current level without any active controllers or inverters. We present the first study of a lithium-ion battery cell connected in parallel to a string of four or five serially-connected photovoltaic cells. Experimental investigations were performed using a modified commercial photovoltaic module and a lithium titanate battery pouch cell, representing an overall 41.7 W-peak (photovoltaic)/36.8 W-hour (battery) passive hybrid system. Systematic and detailed monitoring of this system over periods of several days with different load scenarios was carried out. A scaled dynamic synthetic load representing a typical profile of a single-family house was successfully supplied with 100 % self-sufficiency over a period of two days. The system shows dynamic, fully passive self-regulation without maximum power point tracking and without battery management system. The feasibility of a photovoltaic/lithium-ion battery passive hybrid system could therefore be demonstrated.
Ziel der Investitionsmaßnahme Enerlab 4.0 war die Bereitstellung einer umfangreichen in-operando und post-mortem Diagnostik für dezentrale Energieerzeuger und -Speicher, z. B. Batteriezellen und Photovoltaikzellen. Diese sind wichtige Komponenten für verschiedene Bereiche der Industrie 4.0 – von autonomen Sensoren über energieautarke Produktion bis hin zur Qualitätskontrolle. Zu diesem Zweck wurde die apparative Ausstattung der Hochschule Offenburg erweitert, und zwar sowohl für in-operando Diagnostik (elektrische Zyklierer, Impedanzspektrometer, Temperaturprüfschränke) als auch für post-mortem Diagnostik (Glovebox, Probenpräparationen für vorhandene Werkstoffanalytik und chemische Analytik). Be-reits vorhandene Geräte aus anderen laufenden oder abgeschlossenen Projekten wurden in die neue Infrastruktur integriert. Im Ergebnis entstand ein modernes und leistungsfähiges Batterie- und Photovoltaiklabor, welches in zahlreichen laufenden und neuen Vorhaben genutzt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes (SOC) einer aufladbaren Batterie (106) eines vorgegebenen Batterietyps oder eines damit in einem physikalischen Zusammenhang stehenden Parameters, insbesondere einer in der Batterie enthaltenen Restladungsmenge Q, wobei das Verfahren mittels eines spannungsgeführten Batteriemodells (102) arbeitet, welches für die betreffende Batterie (106) oder einen entsprechenden Batterietyp parametriert wird. Es muss lediglich die Batteriespannung Umess gemessen und dem Batteriemodell (102) als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gesundheitszustandes (SOH) einer Batterie (102), wobei das Batteriemodell (102), das auch zur Bestimmung des SOC verwendet wird, einen modellierten Batteriestrom Imodliefert. Aus diesem können modellierte Ladungsmengen während Lade- und Entladephasen der Batterie (106) bestimmt und mit gemessenen Ladungsmengen, die aus dem gemessenen Batteriestrom Imessbestimmt werden, verglichen werden. Da das Batteriemodell (102) nicht altert, kann hierdurch der SOH der Batterie bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes (SOC) einer aufladbaren Batterie (106) eines vorgegebenen Batterietyps oder eines damit in einem physikalischen Zusammenhang stehenden Parameters, insbesondere einer in der Batterie enthaltenen Restladungsmenge Q, wobei das Verfahren mittels eines spannungsgeführten Batteriemodells (102) arbeitet, welches für die betreffende Batterie (106) oder einen entsprechenden Batterietyp parametriert wird. Es muss lediglich die Batteriespannung Umess gemessen und dem Batteriemodell (102) als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gesundheitszustandes (SOH) einer Batterie (102), wobei das Batteriemodell (102), das auch zur Bestimmung des SOC verwendet wird, einen modellierten Batteriestrom Imodliefert. Aus diesem können modellierte Ladungsmengen während Lade- und Entladephasen der Batterie (106) bestimmt und mit gemessenen Ladungsmengen, die aus dem gemessenen Batteriestrom Imessbestimmt werden, verglichen werden. Da das Batteriemodell (102) nicht altert, kann hierdurch der SOH der Batterie bestimmt werden.
The invention relates to a method and to a device for determining the state of charge (SOC) of a rechargeable battery (106) of a specified battery type or a parameter physically related thereto, in particular a remaining charge amount Q contained in the battery, the method operating by means of a voltage-controlled battery model (102), which is parameterized for the battery (106) in question or a corresponding battery type. It is merely necessary to measure the battery voltage Umess and to provide said battery voltage to the battery model (102) as an input variable. The invention further relates to a method and to a device for determining the state of health (SOH) of a battery (102), wherein the battery model (102) also used to determine the SOC provides a modeled battery current Imod. Modeled charge amounts during charging and discharging phases of the battery (106) can be determined from said modeled battery current and can be compared with measured charge amounts, which are determined from the measured battery current Imess. Because the battery model (102) does not age, the SOH of the battery can thereby be determined.
Silicon (Si) has turned out to be a promising active material for next‐generation lithium‐ion battery anodes. Nevertheless, the issues known from Si as electrode material (pulverization effects, volume change etc.) are impeding the development of Si anodes to reach market maturity. In this study, we are investigating a possible application of Si anodes in low‐power printed electronic applications. Tailored Si inks are produced and the impact of carbon coating on the printability and their electrochemical behavior as printed Si anodes is investigated. The printed Si anodes contain active material loadings that are practical for powering printed electronic devices, like electrolyte gated transistors, and are able to show high capacity retentions. A capacity of 1754 mAh/gSi is achieved for a printed Si anode after 100 cycles. Additionally, the direct applicability of the printed Si anodes is shown by successfully powering an ink‐jet printed transistor.