No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

The (Battery management system)BMS has the task of ensuring that for the individual bat-tery cell parameters such as the allowed operating voltage window or the allowable temperature range are not violated. Since the battery itself is a highly distinct nonlinear electrochemical de-vice it is hard to detect its internal characteristics directly. The requirement of predicting battery packs’ present operating condition will become one of the most important task for the BMS. Therefore, special algorithms for battery monitoring are required.In this thesis, a model based battery state estimation technique using an adaptive filter tech-nology is investigated. Different battery models are studied in terms of complexity and accuracy. Following up with the introduction of different adaptive filter technology, the implementation of these methods into battery management system is decribed. Evaluations on different estimation methods are implemented from the point of view of the dynamic performance, the requirement on the computing power and the accuracy of the estimation. Real test drive data will be used as a reference to compare the result with the estimation value. Characteristics of different moni-toring methods and models are reported in this work. Finally, the trade-offs between different monitor’s performance and their computational complexity are analyzed. / BMS (eng. battery management system) har till uppgift att se till att viktiga parametrar såsom tillspännings- och temperaturintervall upprätthålls för varje individuell battericell. Då en battericells beteende är ickelinjärt är det svårt att bestämma cellens interna karakteristika direkt. Att kunna förutsäga dessa karakteristika för ett komplett batteripack kommer att en mycket viktig funktion hos framtida BMS. I detta examensarbete har en modellbaserad tillståndsestimeringsmetod med användande av adaptiv filtrering undersökts. Olika batterimodeller har studerats med avseende på komplexitet och noggrannhet. Efter introduktionen av olika metoder för adaptiv filtrering har dessa metoder implementerats i en BMS modell. Utvärdering av de olika metoderna för att åstadkomma tillståndsestimering har sedan utförts med avseende på dynamisk prestanda, krav på beräkningskraft och noggrannhet hos de resulterande estimaten. Data från uppmätta kördata från ett fordon har använts som referens för att jämföra de olika estimaten. Slutligen presenteras en jämförelse mellan de olika tillståndsestimeringsmetodernas prestanda när de appliceras på de olika batterimodellerna.

An accurate estimation of the charging time of an automotive traction battery is possible only with the knowledge of different parameters of the battery and the vehicle. If this information is not available to the driver, the full time needed for charging of the battery may have to be assessed only from experience. A long route planning and estimation of required service life of the vehicle are therefore only roughly possible. Furthermore, with a better knowledge of estimated charging time, better management of public charging stations and better utilization of charging equipment can be achieved. An algorithm based on Matlab/Simulink model is made in the present thesis to estimate the charging time of a Li-ion battery pack which consists of 32 cells with 40 Ah each, as well as to investigate the impact of different cell balancing methods and different charging strategies on charging process. The theoretical background of the battery and charging modelling is investigated and different battery models are compared to get the best trade-off between the model accuracy and computation complexity. In the end, an electrical equivalent circuit model from reference [1], consists of a series resistor and two ZARC elements, is chosen to represent the battery cell. The parameters of the equivalent circuit are updated according to the SOC, current and temperature changes during the charging process. The whole simulation model of the algorithm consists of a charging controller (implementing the charging strategy), cell balancing logic controller, and cell balancing hardware simulation circuit and battery cell models. Different balancing criteria: based on SOC (with PWM drive) and based on terminal voltage (with/without advance) are implemented in the cell balancing logic controller, as well as different balancing windows, to investigate their impact on charging time. As for charging strategy, traditional CCCV is investigated, further investigation is conducted into improved CCCV method. The impact of initial SOC, charging rate and aging factor on charging behavior are investigated as well. Experiment results are validated by the comparison of the results with the ones got from a Hardware-in-the-loop simulation system. / En noggrann estimering av laddtiden hos batterier avsedda för traktionsapplikationer kräver kunskap kring batteriets och dess tillhörande laddsystems parametervärden. Utan tillgång till denna information kan laddtiden endast uppskattas från fordonsägarens tidigare erfarenheter vilket försvårar t.ex. ruttplanering. En estimering av laddtiden med tillräcklig noggrannhet kan även möjliggöra bättre utnyttjade av laddutrusting inklusive nyttjandet av publika laddstationer. I detta examensarbete har en algoritm, implementerad i Matlab/Simulink, för att estimera laddtiden hos ett litiumjonbatteripack bestående av 32 celler på vardera 40 Ah tagits fram. Med hjälp av modellen har olika laddstrategier och metoder för att balansera cellerna studerats. Ett antal olika batterimodeller har jämförts i termer av noggrannhet och krav på beräkningsprestanda. En elektriskt ekvivalent krets från referens [1], bestående av en serieresistans samt två ZARC-element, valdes slutligen för att representera battericellen. Den ekvivalenta kretsens parametrar uppdateras vid förändringar i SOC, ström och temperatur. Hela simuleringsmodellen består av en laddregulator (i vilken laddstrategin är implementerad), cellbalanseringregulator och modeller för cell och cellbalanseringens hårdvara. Ett antal metoder för att balanser cellerna har jämförts med hänsyn till påverkan på den resulterande laddtiden. En traditionell samt modifierad CCCV laddstrategi har implementerats och jämförts med avseende på variationer i inledande SOC, total laddtid samt åldring. Experimentella resultat från en hardware-in-the-loop simulering har använts för att delvis kunna verifiera de framtagna resultaten.

Batterimodeller används för att representera batterier. För ändamål som batterihanteringssystem används idag främst empiriska modeller som representerar ett batteri med en motsvarande kretsmodell. Några nackdelar för dessa modeller ligger i dess oförmåga att simulera interna tillstånd och en tidskrävande parametriseringsprocess. Dessa nackdelar motiverar ingenjörer att vända sig till modeller som är baserade på fysiska lagar som ett alternativ eftersom de kan ge insikt i vad som händer inuti batteriet. Batterimodellerna som är baserade på de fysiska lagarna har alltför krävande beräkningar för att kunna användas för vissa applikationer, som batterihanteringssystem. Singel-partikelmodellen (SPM) är en fysikbaserad modell som används i detta avhandlingsprojekt. Syftet med projektet var att hitta en metod för att parametrisera SPM för nya kommersiella cylindriska HTPFR18650 1100mAh 3.2V litiumjärnfosfatceller. En litteraturundersökning och experiment användes för att extrahera parametervärdena. 17 parametrar valdes från litteraturundersökningen eftersom de kunde användas för att parametrisera modellen. Geometriska parametrar hittades genom en cellöppning. Tre typer av icke-destruktiva experiment som var inspirerade av litteraturen utfördes för att extrahera värden för de andra icke-geometriska parametrarna. Ett cykeltest med låg strömhastighet utfördes för att få en pseudo-OCV-kurva och för att extrahera kapacitetsrelaterade parametrarna. En känslighetsanalys genomfördes för galvanostatisk intermittent titreringsteknik testet (GITT) och pulstestet för de parametrar som var kopplade till transportoch kinetiska fenomen. Python matematisk batterimodellering (PyBaMM) användes för att simulera experimenten. Parametersamlingen Prada 2013 användes som standardvärden. Standardvärdena för de valda parametrarna ersattes av de värden som hittades genom experiment. Känslighetsanalysen visade att några av de valda parametrarna var känsliga för experimenten medan andra inte var det. Parametrarna extraherades genom fysiska relationer och genom att anpassa parametervärde för simuleringen så att den passar den experimentella datan under urladdningsförloppet. Värden för 14 av de 17 parametrarna extraherades i metoden. Den parametriserade modellen validerades mot två potentiella applikationer, en för ett batterielfordon och den andra för ett mild-hybridfordon. Den parametriserade modellen visade att den negativa partikelradien inte kan hittas med den föreslagna parametriseringsmetoden. Simuleringen visade sig också matchade den experimentella datan bättre under urladdning av cellerna jämfört till uppladdning. Flera förbättringar för framtida arbete har föreslagits, såsom att utvidgning av känslighetsanalysen, att erhålla OCV-kurvan från GITT istället för att använda pseudo-OCVkurvan, att använda strängare gränser vid kurvanpassningarna samt att skapa mer optimala tester för att extrahera parametervärdena. / Battery models are used to represent batteries. For purposes like battery management systems, empirical based models like the equivalent circuit models are widely used. These models have downsides regarding for example inability to simulate internal states and parametrization time that make engineers look at physics-based models as an alternative. The physics-based models are made up of physical relationships that offer insights into what is happening inside the battery. These are too computationally demanding to be used for certain applications, like battery managements systems. The Single Particle Model (SPM) is a physics-based model that is utilized in this thesis project. The aim of the project is to find a method to parametrize the SPM for fresh commercial cylindrical HTPFR18650 1100mAh 3.2V lithium iron phosphate cells. Literature survey and experiments were used to extract the parameter values. 17 parameters were selected from the literature survey since they could be used to parametrize the model. Geometrical parameters were found through a cell opening. Three types of nondestructive experiments inspired by literature were performed to extract values for the other non-geometric parameters. A low-rate cycling test was performed to get pseudo-OCV curve and to extract capacity related parameters. A sensitivity analysis is done for the GITT and the Pulse test for the parameters that were connected to the transport and kinetic phenomena. Python mathematical battery modelling (PyBaMM) was used to simulate the experiments. The Prada 2013 parameter set was be used as default values. The default values for the selected parameters were replaced by the values found through experiments. The sensitivity analysis showed that some of the selected parameters were sensitive while others were not. The parameters were extracted through physical relations and through curve fitting procedures during discharge. Values for 14 out of the 17 parameters were extracted in the method. The parametrized model was validated against two potential applications, one for a battery electric vehicle and the other for a mild hybrid. The parametrized model showed that the negative particle radius cannot be found through the proposed parametrization procedure. The simulation matched the experimental data better for discharging cells than charging cells. Several improvements for future work have been suggested such as extending the sensitivity analysis, obtaining the OCV-curve from GITT instead of low-rate cycling, having stricter bounds for the curve fitting as well as creating more optimal tests to extract the parameter values.

The freight transport plays an important role in the development of the economy. However, this comes with an important contribution to greenhouse gas emission. Recently a shift toward heavy-duty electric vehicles has been made, but some issues still need to be tackled. One of them is to develop ways to quickly recharge the vehicle’s batteries without damaging them. In this thesis, we highlight that not only the current but also the battery temperature need to be carefully managed in order to prevent damages during a charging session. To show that, an electrical, thermal and aging model of Li-ion battery is developed. A charging strategy based on a Model Predictive Control algorithm is proposed. The algorithm controls both the battery current and cooling system in order to achieve the optimal balance between the charging speed and the preservation of the battery. The resulting algorithm is tested, in simulation, against a conventional constant current charging in different charging scenarios. The results show an important increase in performance and highlight the role of the battery cooling system in the preservation of the battery. / Godstransporterna spelar en viktig roll för ekonomins utveckling. Detta innebär dock ett betydande bidrag till utsläppen av växthusgaser. På senare tid har en övergång till tunga elfordon skett, men vissa frågor måste fortfarande lösas. En av dem är att utveckla metoder för att snabbt ladda fordonsbatterierna utan att skada dem. I den här avhandlingen lyfter vi fram att inte bara strömmen utan även batteritemperaturen måste hanteras noggrant för att förhindra skador under en laddning. För att visa detta utvecklas en elektrisk, termisk och åldrande modell för Li-ion-batterier. En laddningsstrategi baserad på en algoritm för modellförutsägbar styrning föreslås. Algoritmen styr både batteriströmmen och kylsystemet för att uppnå en optimal balans mellan laddningshastighet och bevarande av batteriet. Den resulterande algoritmen testas i simulering mot en konventionell konstantström laddning i olika laddningsscenarier. Resultaten visar en betydande ökning av prestanda och belyser batterikylsystemets betydelse för bevarandet av batteriet.

Elektrochemische Energiespeicher sind entscheidend für eine zuverlässige Energieversorgung angesichts steigender Nachfrage und knapper Ressourcen. Die fortlaufende Entwicklung möglichst umweltfreundlicher Materialien mit guter Verfügbarkeit ist essenziell für die Verbesserung von deren Leistungsfähigkeit. Ziel der Arbeit war die Nutzung cellulosebasierter Präkursoren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien für die elektrochemischen Energiespeicher Superkondensator und Li-Ionen-Batterie. Dabei werden die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Präkursormaterial und Kohlenstoff, sowie deren Einfluss auf die resultierenden elektrochemischen Leistungen untersucht. Mittels Acetatverfahren können sphärische Partikel auf Basis von Cellulose mit einer Partikelgröße < 5 µm und enger Partikelgrößenverteilung hergestellt werden. Bei der Herstellung sphärischer Partikel aus Celluloseacetat werden eine Vielzahl verschiedener Parameter im Herstellungsprozess variiert und deren Einfluss auf die Eigenschaften der sphärischen Partikel verändert. Außerdem werden die Cellulosederivate Celluloseacetat-butyrat und Celluloseacetat-phthalat als Ausgangsmaterial zur Herstellung sphärischer Partikel verwendet. Die hergestellten sphärischen Partikel werden mittels Pyrolyse zu Kohlenstoff umgewandelt, wobei zum einen der Einfluss der Eigenschaften der sphärischen Präkursoren auf die resultierenden Kohlenstoffe und zum anderen der Einfluss verschiedener Carbonisierungsbedingungen (Carbonisierungstemperatur, Haltezeit, Heizrate) anhand von sphärischen Celluloseacetatpartikeln mit einer Partikelgröße < 5 µm untersucht werden. Zur Vergrößerung der Oberfläche und zur Veränderung der Porenstruktur werden aktivierte Kohlenstoffe hergestellt. Dabei wird KOH in verschiedenen Aktivierungsgraden C : KOH verwendet sowie alternative Aktivierungsreagenzien getestet. Die (aktivierten) Kohlenstoffe dienen als Elektrodenmaterialien in Superkondensatoren, Li-Ionen-Batterien und Li-Ionen-Kondensatoren. Die hergestellten Kohlenstoffe zeigen vielversprechende Kapazitäten als Elektrodenmaterial in symmetrischen Superkondensatoren mit KOH-Elektrolytlösung, insbesondere bei Verwendung von aktiviertem Kohlenstoff aus sphärischen Celluloseacetatpartikeln. Außerdem werden verschiedene neutrale wässrige Elektrolytlösungen als Alternative zu alkalischen KOH-Lösungen getestet und der Einfluss von Konzentration und Arbeitstemperatur betrachtet. Weiterhin kann die Eignung der hergestellten nicht-aktivierten Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-Perlen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien als Alternative zu Graphit gezeigt werden, insbesondere hinsichtlich Langzeitstabilität und dem Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen. Auch ein möglicher Einsatz der aktivierten Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-Perlen in Li-Ionen-Kondensatoren als Kathodenmaterial mit TNO-Anode wird geprüft.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS SYMBOLVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 2.1 Ausgangsmaterialien 2.1.1 Cellulose 2.1.2 Celluloseester (Celluloseacetat, Celluloseacetat-butyrat, Celluloseacetat-phthalat) 2.1.3 Sphärische Partikel aus Cellulose und Cellulosederivaten 2.2 Kohlenstoffe 2.2.1 Kohlenstoffe in Energiespeichern 2.2.2 Amorphe Kohlenstoffe 2.2.3 Aktivierte Kohlenstoffe 2.3 Elektrochemische Speichermethoden 2.3.1 Superkondensatoren 2.3.1.1 Speicherarten – EDLC vs. Pseudokapazität 2.3.1.2 Elektrodenmaterialien 2.3.1.3 Elektrolytsysteme 2.3.2 Lithium-Ionen-Batterien 2.3.3 Lithium-Ionen-Kondensatoren 2.4 Methoden zur strukturellen Charakterisierung 2.4.1 Laserbeugungsspektroskopie 2.4.2 Sedimentationsverhalten zur Bestimmung der Porosität 2.4.3 Stickstoffphysiosorption 2.4.4 Raman-Spektroskopie 2.4.5 Rasterelektronenmikroskopie 2.4.6 Röntgendiffraktometrie 2.4.7 Viskositätsmessungen 2.5 Elektrochemische Charakterisierung 2.5.1 Zyklische Voltammetrie 2.5.2 Galvanostatisches Zyklieren 2.5.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie 2.5.4 Galvanostatische intermittierende Titrationstechnik 3 EXPERIMENTELLER TEIL 3.1 Herstellung Perlcellulose 3.1.1 Herstellung der sphärischen Celluloseester / Deacetylierung 3.1.2 Variationen der Parameter 3.2 Carbonisierung / Aktivierung 3.3 Herstellung der Elektrochemischen Energiespeicher 3.3.1 Superkondensatoren 3.3.2 Lithium-Ionen-Batterien 3.3.3 Lithium-Ionen-Kondensatoren 3.4 Chemikalien 3.5 Geräte und Methoden 4 ERGEBNISSE & DISKUSSION 4.1 Ausgangsmaterialien für die Herstellung von sphärischen Celluloseestern 4.2 Sphärische Celluloseester 4.2.1 Verschiedene CA-Materialien 4.2.2 Deacetylierung zur Perlcellulose 4.2.3 Partikelgröße 4.2.4 Salzgehalt 4.2.5 Tensidgehalt 4.2.6 Celluloseacetat-butyrat 4.2.7 Celluloseacetat-phthalat 4.2.8 Zusammenfassung der Herstellung sphärischer Partikel aus Celluloseestern 4.3 Kohlenstoffe auf Basis von sphärischen Celluloseestern 4.3.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf die hergestellten Kohlenstoffe aus CA1-Perlen 4.3.2 Einfluss der verschiedenen Herstellungsbedingungen der Celluloseacetat-Perlen auf den resultierenden Kohlenstoff 4.3.3 Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-butyrat-Perlen 4.3.4 Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-phthalat 4.3.5 Zusammenhänge zwischen Präkursoren und Kohlenstoffen 4.4 Aktivierte Kohlenstoffe 4.4.1 Aktivierung von CA- und CAB-Perlen mit KOH 4.4.2 Vergleich von KOH mit anderen Aktivierungsreagenzien 4.5 Superkondensatoren mit Elektroden aus Kohlenstoffen auf Basis von sphärischen Celluloseestern in alkalischen Elektrolyten 4.5.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf die Performance von Superkondensatoren mit CA1-Elektroden 4.5.2 Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffen aus verschiedenen Celluloseestern 4.5.3 Aktivierte Kohlenstoffe 4.5.4 Zusammenhang zwischen den hergestellten Kohlenstoffen und deren Einsatz als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren 4.6 Vergleich von alkalischen und neutralen Elektrolyten in Superkondensatoren 4.6.1 Charakterisierung der Elektrolyte 4.6.2 Neutrale Elektrolyte und alkalische Elektrolyte im Vergleich 4.6.3 Einfluss von Konzentration und Temperatur auf die Zellperformance mit Na2SO4-Elektrolyten 4.7 Kohlenstoffe aus sphärischen Celluloseestern als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien 4.7.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf CA1 als Anodenmaterial 4.7.2 Bindersysteme 4.7.3 Kohlenstoffe aus Celluloseestern mit verschiedenen Herstellungsbedingungen 4.7.4 Einfluss der Temperatur 4.8 Lithium-Ionen-Kondensatoren mit aktiviertem Kohlenstoff aus CA-Perlen als Kathodenmaterial 4.9 Vergleich der Kohlenstoffe als Elektrodenmaterial in den verschiedenen Energiespeichersystemen 5 ZUSAMMENFASSUNG 6 LITERATURVERZEICHNIS 7 ANHANG

Four molecular germanates based on salicyl alcoholates, bis(dimethylammonium) tris[2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (1), bis(dimethylammonium) tris[4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (2), bis(dimethylammonium) tris[4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (3) and dimethylammonium bis[2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phenolate(2-)][2-tert-butyl-4-methyl-6-(hydroxymethyl)phenolate(1-)]germanate (4), were synthesized and characterized including single crystal X-ray diffraction analysis. In the solid state, compounds 1 and 2 exhibit one-dimensional hydrogen bonded networks, whereas compound 4 forms separate ion pairs, which are connected by hydrogen bonds between the dimethylammonium and the germanate moieties. The potential of these compounds for thermally induced twin polymerization (TP) was studied. Germanate 1 was converted by TP to give a hybrid material (HM-1) composed of phenolic resin and germanium dioxide. Subsequent reduction with hydrogen provided a microporous composite containing crystalline germanium and carbon (Ge@C – C-1, germanium content ∼20%). Studies on C-1 as an anode material for Li-ion batteries revealed reversible capacities of ∼370 mA h gGe@C−1 at a current density up to 1384 mA g−1 without apparent fading for 500 cycles. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.