Ti 5 O 12. , LFP)/Lithium-Titanat- (Li 4. Von Prof. Dr. Jonny Dambrowski

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1 Methoden der Ladezustands - bestimmung und ihre Eignung für LiFePO 4 /Li 4 -Zellen Teil 1 (Bilder: Deutronic Elektronik GmbH) Standard-Lithium-Ionen-Akkus zeigen hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Schnellladefähigkeit Schwächen. Lithium-Eisenphosphat- (LiFePO 4, LFP)/Lithium-Titanat- (Li 4, LTO) -Zellen haben in dieser Hinsicht erheblich bessere Eigenschaften. Mit der neuen Li-Ionen-Akkuart stellt sich aber auch die Frage, ob deren Ladezustand mit den gängigen Verfahren diagnostiziert werden kann. Lassen sich Verfahren, die sich vor allem bei Blei- und den Standard-Li-Ionen-Zellen etabliert haben, auf LFP/LTO-Akkus übertragen? In diesem ersten Teil werden Ah-Bilanzierung und Ruhespannungsmethode analysiert. Von Prof. Dr. Jonny Dambrowski Die meistens verwendeten Methoden zur Ladezustandsbestimmung an Blei- und Lithium- Ionen-Akkus basieren auf: 1. Ah-Bilanzierung, 2. Schätzung der Ruhespannung, 3. Impedanzmessung, z.b. anhand der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) oder der Innenwiderstandsbestimmung an Stromstufen, 4. Soft Computing, z.b. künstliche Neuro-Fuzzy-Inferenz-Systeme. Jede Methode hat ihre Vor-, aber auch ihre Nachteile. Durch Kombination mehrerer Verfahren wird versucht, einige der Nachteile zu beheben. Die Ei- genschaften moderner Li-Ionen-Zellen wie z.b. LFP/LTO (Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode/Lithium-Titanat-Anode) weichen jedoch erheblich von den Eigenschaften gängiger Li-Ionen-Zellen mit Graphit-Anode ab. Damit stellt sich die Frage, welche Verfahren der Ladezustandsbestimmung (SOC, State of Charge) sich auf den Einsatz mit modernen Li-Ionen-Zellen wie LFP/LTO übertragen lassen. 1. Ah-Bilanzierung Das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Ladezustandsbestimmung ist die Amperestundenbilanzierung, auch Ah-Zähler genannt. Hierbei handelt es sich um eine vorzeichentreue Messung der auf die Nennkapazität C N eingelagerten und entnommenen Ladungsmenge. Genauer: Ist in t = 0 der Ladezustand SOC 0 bekannt, so gilt: (1) 30 Elektronik 7/2013

2 relative Ladung q [%] ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 Abschaltstromstärke I O [n C] Ruhespannung U0 [V] 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 Bild 1. Je kleiner I 0, desto größer die Ladung q relativ zu der mit I 0 = 0,1 C, aber der Effekt ist bei LFP/LTO-Zellen (blaue Kurve) erheblich kleiner als bei Li-Ionen-Zellen mit Graphit-Anode was eine höhere Genauigkeit bei der Ermittlung des Vollladepunktes voraussetzt. Während die Ladeverluste im Falle der LFP/LTO- und Li-Mn-Spinell-Zellen (LMO, rote Kurve) vernachlässigbar sind, können sie bei NMC-Zellen (Nickel-Mangan-Cobalt, güne Kurve), je nach I 0, größer als 1 % werden. Bild 2. Ruhespannungskurven verschiedener, kommerziell erhältlicher Li-Ionen-Zellen in Entladerichtung, in Abhängigkeit vom praktischen Ladezustand SOC p. Die Messwerte wurden bei 25 C ±1 C aufgenommen, mit Lade-/Entladestufen q = 3 % C a und je 6 h bis 12 h Pause. Die Ruhephase ist so dimensioniert, dass sich für 3 % SOC p 97 % die Klemmspannung der Zelle nach min. 6 h nur noch um höchstens 2,5 mv/h verändert, was der Auflösung des Messsystems entspricht. Blau: LFP/C, Rot: Li- Mn-Spinell/C, Grün: Li-NMC(Gemisch)/C, Orange: Li-NMC(Schicht)/C. mit dem Hauptreaktionsstrom i HR := i Bat i NR, also der Differenz aus Batteriestrom i Bat und Strom in die Nebenreaktionen i NR. Der Wertebereich der SOC- Funktion liegt in der Regel zwischen 0 und 1, d.h. SOC(t) [0, 1] R, kann aber auch sowohl >1 als auch <0 sein. Alternativ lässt sich der Ladezustand auch relativ in % angeben. Soll die im Laufe des Betriebs des Speichers unvermeidbare Alterung nicht in die SOC-Berechnung eingehen, so wird auf die aktuelle Kapazität C a normiert, also die Ladungsmenge, die ein vollgeladener Speicher unter Nennbedingungen zu einem Zeitpunkt nach Erstinbetriebnahme hat. Der auf C a normierte Ladezustand heißt relativer Ladezustand und wird mit SOC r bezeichnet. Vorteil der Ah-Bilanzierung ist, dass sie prinzipiell für jede Art von Speicher anwendbar ist. Der benötigte Algorithmus für die Berechnung lässt sich sehr leicht implementieren und kann daher ohne großen Aufwand in eine Ladeschaltung oder ein Akkumanagementsystem integriert werden. Die Ah-Bilanzierung hat aber auch Nachteile: Aufgrund der unvermeidlichen Fehler bei der Stromintegration und der Verluste beim Laden muss in bestimmten Zuständen des Akkus eine Rekalibrierung des Ah-Zählers erfolgen. Der Strom in die Nebenreaktionen i NR := i Bat i HR ist nicht direkt messbar und bedingt im Besonderen bei Blei- und NiMH-Akkus nach wenigen Zyklen eine Abweichung zwischen berechnetem und tatsächlichem Ladezustand [1]. Daher wird zur Berechnung des Ladezustandes z.b. der Ladefaktor oder ein komplexeres Verlustmodell herangezogen. Ein guter Referenzpunkt zur Rekalibrierung des Ah-Zählers zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: 1AmpereSchaltregler Pinkompatibel zu den LM 78xx Linearreglern TSR-1 Serie > Hoher Wirkungsgrad bis 96 % > Keine Kühlkörpererforderlich > Volllastbetrieb bis +60 C > Weiter Eingangsbereich bis 36 VDC > SMD-oder Durchsteckmontage > Hohe Ausgangsgenauigkeit > Keine externen Kondensatoren notwendig > NiedrigerStand-by-Strom > 3JahreProduktgewährleistung Finduson Facebook TRACO ELECTRONIC GmbH D Ismaning Tel. 089 / info@traco-electronic.de

3 Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Akkus Für den Bau von Li-Ionen-Zellen werden mehrere Materialien und Materialkombinationen für die Anode und Kathode in der industriellen Produktion eingesetzt. Damit verbunden sind stark unterschiedliche Eigenschaften der jeweiligen Zelle gleichwohl alle zur Gattung der Li-Ionen-Akkus gehören. Bei Li-Ionen-Akkus ist Graphit das Standard-Anodenmaterial. Es bietet als Vorteil eine hohe spezifische Kapazität und eine höhere Spannungslage gegenüber den Kathodenmaterialien. Aber der Einsatz von Graphit bringt auch limitierende Faktoren mit sich: 1. Ausbildung der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) mit dem 1. Zyklus zwischen der Graphit elektrode und dem Elektrolyt. Im Laufe des Betriebs wächst die SEI-Schicht und trägt maßgeblich zur Alterung bei dadurch geht Aktivmaterial (Lithium) verloren Kapazitätsverlust der Zelle und der Innenwiderstand (R i ) der Zelle steigt verringerte Hochstromfähigkeit. Abkürzung LCO LMO NMC(Schicht) NCA LFP Chem. Bezeichnung LiCoO 2 LiMn2O 4 Li[Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ]O 2 Li[Ni 0,8 Co 0,15 Al 0,05 ]O 2 LiFePO 4 Mittlere Zellspannung bezogen auf C-Anode [V] 3,6 3,8 3,7 3,7 3,3 Spannungsbereich bezogen auf Li/Li+ [V] 3,0 4,4 2,7 4,2 2,8 4,4 3,0 4,3 2,2 3,8 Anzahl Li+-Ionen pro Metalloxid (xli+) 0,5 0,7 0,8 0,85 0,5 0,7 0,6 0,7 0,7 0,9 theoretische spezifische Kapazität [mah/g] erreichbare spezifische Kapazität [mah/g] praktische spezifische Energie/Zelle [Wh/kg] praktische spezfische Leistung/Zelle [W/kg] rel. Volumenänderung (Laden-Entladen) [%] 2 3 6,5 14 <2 ca ,8 Zyklenzahl (bis 80 % C N ) >500 <500 >1000 >1000 >2000 Strukturtyp Schicht, 2D-Li+-Ionen- Spinell, 3D-Li+-Ionen- Schicht, 2D-Li+-Ionen- Schicht, 2D-Li+-Ionen- Olivin, 1D-Li+-Ionen- Tabelle 1. Die fünf gängigen Kathodenmaterialien dienen häufig auch zur einfachen sprachlichen Unterscheidung der Li-Ionen-Zellen in Cobalt-, Mangan-, oder Eisen-Phosphat-Zellen, denn bisher wurde für alle Zellen in der Regel Graphit als Anodenmaterial eingesetzt [4 10]. Abkürzung C LTO Chem. Bezeichnung Graphit Li 4 Potentialbereich bezogen auf Li/Li + [V] 0,05 0,3 1,2 2,5 mittlere Spannung bezogen auf LFP [V] 3,3 1,85 Spannungsbereich bezogen auf LFP [V] 2,0 3,6 1,1 2,4 Anzahl Li+-Ionen pro Metalloxid (xli + ) 0,9 2,6 2,9 theoretische spezifische Kapazität [mah/g] (293) erreichbare spezifische Kapazität [mah/g] praktische spezifische Energie/Zelle (LFP) [Wh/kg] praktische spezfische Leistung/Zelle (LFP) [W/kg] relative Volumenänderung (Laden-Entladen) [%] 10 <0,1 Strukturtyp Schicht, 2D-Li+-Ionen-Leitung im Kristall Spinell, 3D-Li+-Ionen-Leitung im Kristall Tabelle 2. Der große Vorteil von Lithium-Titanat als Anodenmaterial ist dessen vernachlässigbar kleine Volumenänderung zwischen Laden und Entladen. Die Bezeichnung als Li-Titanat-Zelle ist, gegenüber der bisher vom Kathodenmaterial abgeleiteten Namensgebung, verwirrend. Eine Nennung von Kathoden- und Anodenmaterial erscheint zukünftig sinnvoller z.b. LCO/C für eine Li-Cobalt-Zelle mit Graphit-Anode bzw. LFP/LTO für Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle mit Li-Titanat-Anode [7, 10 14]. 2. Hohe Ladeströme begünstigen ebenso wie tiefe Temperaturen die Abscheidung von metallischem Lithium oder führen zum Aufbrechen der Graphitstruktur begrenzte Ladeakzeptanz und Hochstromfähigkeit. 3. Mechanischer Stress des Anodenmaterials durch Volumenzunahme im geladenen/ entladenen Zustand. Alle genannten Alterungsmechanismen der Graphit-Anode sind bei Lithium-Titanat-Anoden nicht präsent. Li-Ionen-Zellen mit LTO- Anoden haben folgende Vorteile: Hohe chemische wie thermische Stabilität keine Li-Abscheidung, kein thermisches Durchgehen sicheres Material. Kein Aufbau einer Grenzschicht (SEI) zwischen Elektrode und Elektrolyt. Keine Struktur- und Volumenänderung zwischen ge- und entladenem Zustand exzellente Zyklenstabilität ( Vollzyklen [11]). Sehr flache Spannungskennlinie hohe Leistungskonstanz über gesamten SOC-Bereich. Sehr gute Li+-Ionenleitfähigkeit sehr gute Schnellladefähigkeit hohe spezif. Leistung (W/kg). 32 Elektronik 7/2013

4 exzellente Ladeakzeptanz über gesamten SOC-Bereich, insbesondere bis zur Vollladung (SOC -> 100 %). Weiter Betriebstemperaturbereich von 40 C bis 70 C. Umweltfreundlich, enthält keine giftigen Schwermetalle wie Co, Ni. Nachteilig an Lithium-Titanat ist jedoch: die niedrige Zellspannung ca. 60 % geringere spezif. Energie (Wh/kg) als bei Graphit- Anode und der relativ hohe Preis von Euro/t für den Rohstoff. Lithium-Titanat ist allerdings günstiger als Cobalt ( Euro/t) und Nickel ( Euro/t). Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) als Kathodenmaterial ist im Vergleich zu Nickel oder Cobalt kostengünstiger, bietet eine hohe chemische wie thermische Stabilität kein thermisches Durchgehen sicheres Material, erreicht eine hohe Zyklenlebensdauer, enthält keine giftigen Schwermetalle wie Co, Ni, ermöglicht den Bau von Zellen mit einer hohen spezifischen Leistung [W/kg], bietet eine hohe Ladeakzeptanz über den gesamten SOC-Bereich, auch nahe SOC = 100 %, hat eine flache Spannungskennlinie gute Leistungskonstanz über einen weiten SOC- Bereich und gute elektrische Eigenschaften auch bei tiefen Temperaturen bis 30 C. Li-Ionen-Zellen mit Lithium-Eisen-Phosphat- Kathoden (LFP) haben allerdings eine geringere Zellenspannung geringe spezifische Energie [Wh/kg] und eine intrinsisch schlechte elektrische und Ionen-Leitfähigkeit. Durch Nano-Partikel und Kohlenstoff-Beschichtung sind die Zellen dennoch für Leistungsanwendungen geeignet. Sie werden in Elektro- und Hybridfahrzeugen, Akku-Werkzeugen und im Medizinbereich eingesetzt. LFP/LTO-Zellen mit LFP-Kathode und LTO-Anode eignen sich besonders für Akkus, von denen eine hohe Lebensdauer und Zyklenzahl, aber auch eine hohe Ladeakzeptanz gefordert wird, z.b. in stationären Speichern für Erneuerbare Energien, in der Medizintechnik, in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Die in den Zellen ablaufenden Reaktionen sind: Anode: Li 7 3 Li e + Li 4 Kathode: FePO 4 + Li + + e LiFePO 4 1. Der Referenzpunkt repräsentiert genau den spezifischen Ladezustand SOC Im regulären Betrieb des Speichers gibt es eine ausreichende Anzahl von Ereignissen, um den Referenzpunkt zu erreichen, ohne dabei die eigentliche Funktion der Anwendung zu beeinträchtigen. 3. Der Referenzpunkt lässt sich einfach erreichen, ohne den Speicher zu belasten (altern). 4. Unabhängig von der Betriebsweise z.b. Höhe der Lade-/Entladestromstärke, Abbruchkriterien wird der Referenzpunkt möglichst exakt eingenommen. Der Voll- oder der Leerzustand (SOC 0 = 1 bzw. SOC 0 = 0) sind naheliegende Rekalibrierungspunkte des Ah-Zählers. Wir konzentrieren uns im weiteren Verlauf auf den in der Praxis relevanteren Vollladezustand, da SOC = 0 in der Regel den vier Bedingungen noch schlechter genügt. Im Gegensatz zu Bleiakkus lässt sich SOC = 1 bei Lithium- Ionen-Akkus erheblich leichter und insbesondere schneller herstellen. Aufgrund der vernachlässigbaren Ladeverluste werden bei Li-Ionen-Zellen auch weniger Vollladeereignisse zur Rekalibrierung benötigt. Die Anforderungen nach Punkt 3 und 4 sind deutlich weniger problematisch als bei Bleiakkus. Den Vollladepunkt an Bleiakkus zu erreichen ist in der Regel sehr zeitaufwendig, stets verbunden mit nicht unerheblichen Ladeverlusten und einer signifikanten Belastung und Alterung der Zellen. Andererseits ist eine Vollladung aufgrund gewisser egalisierender Alterungsphänomene lebensnotwendig für Bleiakkus. Daher ist für Bleiakkus eine durchdachte Betriebsstrategie notwendig. In Leistungs-Anwendungen mit hohen Entladestromstärken ist für die Ah-Bilanzierung nicht nur eine genaue, sondern auch eine sehr schnelle Strommessung erforderlich. Die Ah-Bilanzierung ist prinzipiell und nach den bisherigen Analysen besonders gut zur SOC-Bestimmung an LFP/LTO-Akkus geeignet. Wird der Vollladezustand als Referenzpunkt zur Rekalibrierung des Ah-Zählers verwendet, müssen noch die letzten drei der vier Eigenschaften eines guten Referenzpunktes im Betrieb der Anwendung nachgewiesen werden. Die Ladeverluste sind, wie bei vielen Standard-Li- Ionen-Zellen, unter Nennbedingungen Elektronik 7/ The Official Daily zur SPS IPC Drives 2013 Fachmedium der Automatisierungstechnik HERAUSGEGEBEN VON Das Programmheft zur SPS IPC Drives! Roland Wagner, Head of Product Marketing 3S-Smart Software Solutions GmbH Erscheinungstermine: Anzeigenschluss: 26. November November November 2013 (für alle 3 Ausgaben) 28. November 2013 Kontakt: Mediaberatung der Official Daily zur SPS IPC Drives 2013 Tel.: Fax: media@computer-automation.de

5 Ruhespannung U0 [V] 4,2 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 Bild 3. Die Ruhespannungshysterese, gemessen an einer Lithium-Nickel- Mangan-Cobalt-Zelle mit Graphit-Anode (NMC(Schicht)/C), liegt im Bereich (100 %) (10 %) bei ca. 600 mv. Die Messung erfolgte beim Laden (rot) und Entladen (blau) unter den in Bild 2 angegebenen Bedingungen. Ruhespannung [V] 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 Bild 4. Die an einer Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle mit Graphit-Anode (LFP/C) gemessene Ruhespannungshysterese mit (90 %) (10 %) ca. 150 mv in Abhängigkeit von SOC p zeigt ihre eingeschränkte Genauigkeit zur SOC-Bestimmung (Rot: Laden, Blau: Entladen). vernachlässigbar (<0,1 %). Im Falle der LFP/LTO-Zellen hängen die Ladeverluste auch nicht von der Höhe des Ladestroms ab. Messungen mit Ladestromstärken im Bereich von 0,1 C bis 10 C ergaben keine nennenswerten Abhängigkeiten, die Ladeverluste blieben <0,1 %. Wie aus Bild 1 hervorgeht, ist der Vollladepunkt bei LFP/LTO-Zellen weniger sensibel gegenüber der Abschaltstromstärke I 0 dem Ladeparameter, der das Ende des Ladevorganges definiert und vom Hersteller der Zellen in einer IU-Ladekennlinie spezifiziert wird. Die Zeit für eine Vollladung aus SOC = 0 von LFP/LTO-Zellen fällt bei gleicher Ladekennlinie, gleichen Ladeparametern und vergleichbaren Zelldaten zwischen 30 % und 60 % kürzer aus als bei anderen Li-Ionen-Zellen. Damit erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit, den Vollladepunkt im normalen Betrieb der Anwendung hinreichend oft zu erreichen. Insbesondere trägt die allen anderen Li-Ionen-Akkus weit überlegene Schnellladefähigkeit der LFP/LTO-Zellen sogar verbessernd dazu bei. In weiteren Untersuchungen ist noch die Abhängigkeit des Referenzpunktes von der Zelltemperatur und Alterung zu eruieren. 2. Ruhespannungsmethode Bei der Ruhespannungsmethode wird die Tatsache genutzt, dass für Bleiakkus und die meisten Li-Ionen-Akkus die Zuordnung f : SOC( ) in guter Näherung injektiv ist also streng monoton (Bild 2). Für die Aufnahme der Ruhespannungskennlinie wird ausgehend von einem Referenzpunkt, z.b. der vollgeladene Zustand SOC = 1, der Akku schrittweise um eine vorgegebene Ladungsmenge q entladen. Dabei ist nach jedem Entladeschritt q eine geeignete Wartezeit im Leerlauf einzuhalten, damit sich die Ruhespannung am Akku einstellen kann. Nach Erreichen von befindet sich das elektrochemische System im sogenannten dynamischen Gleichgewicht, auch relaxierter Zustand genannt. In diesem insbesondere stromlosen Zustand haben sich alle durch eine vorangegangene (Ent-) Ladung herrührenden Überspannungen abgebaut. Die schrittweise Entladung mit den entsprechenden Relaxationszeiten wird solange ausgeführt, bis der Speicher vollständig entladen ist (SOC = 0). Sodann beginnt das gleiche Spiel in die entgegengesetzte Richtung wiederum so lange, bis der Speicher vollständig aufgeladen ist (SOC = 1). Das Resultat einer solchen Messung ist die in den Bildern 3, 4 und 5 dargestellte sogenannte Ruhespannungshysterese. Ein Vorteil der Ruhespannungsmethode ist, dass die Ruhespannungskennlinie (SOC) im Labor relativ einfach gemessen werden kann und als Tabelle (Look-up Table) in einem Batteriemanagementsystem sehr leicht zu implementieren ist. Bei Bleiakkus kann die Temperaturabhängigkeit d /dt mit ca V/K vernachlässigt werden. In einigen Anwendungen, z.b. Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicle, HEV), ist eine lineare Approximation der Ruhespannungskennlinie aufgrund des eingeschränkten SOC-Bereiches von ca. 30 % bis 70 % ausreichend [2]. Allerdings erfordert die präzise Aufnahme einer Ruhespannungskennlinie Zeit und ein in der Praxis oftmals unterschätztes experimentelles Geschick. Denn das elektrochemische System braucht eine gewisse Zeit, um in den relaxierten Zustand zu gelangen, und diese Zeitspanne ist auch noch vom Ladezustand und der Temperatur abhängig. Die Ruhespannung stellt sich, je nach Art der Li-Ionen-Zelle, nach 2 h bis 24 h ein. Bei Bleiakkus kann es sogar mehrere Tage dauern. Die Aufnahme einer vollständigen Ruhespannungshysterese mit Lade- und Entladeast der (SOC)-Kurve kann bis zu sechs, acht Wochen in Anspruch nehmen. Nachteilig ist auch, dass die Ruhespannungsmethode nur in den seltensten 34 Elektronik 7/2013

6 Fällen direkt angewendet werden kann, da sich die notwendigen Relexationszeiten im regulären Betrieb nicht herstellen lassen. Deshalb sind zur - Schätzung andere Verfahren, beispielsweise modellbasierte Methoden, heranzuziehen (siehe Abschnitt: Impedanz-basierende Methoden ). Plateaus in (SOC)-Graphen begrenzen die Genauigkeit der SOC-Bestimmung, wie Bild 4 verdeutlicht. Insbesondere ist die Ruhespannungsmethode nicht anwendbar bei Zellen mit: flacher U0(SOC)-Kennlinie oder ausgeprägter Hysterese, z.b. NiMH, LFP/C (Bild 2). In diesen Fällen muss auf gänzlich andere bzw. ergänzende Methoden zurückgegriffen werden. Eine häufig in der Literatur anzutreffende implizite Annahme ist, dass die Ruhespannungskennlinie nicht von der Alterung des Speichers anhängt. Dies trifft jedoch weder für Blei- noch für Li-Ionen-Akkus zu, wie in [3] gezeigt wurde. Bei LFP/LTO-Zellen ändert sich die Ruhespannung bis auf Rand-SOCs nur um wenige mv; die (SOC p )-Kennlinie in Abhängigkeit vom praktischen Ladezustand verläuft flach (Bild 5). Je nach Hersteller der LFP/LTO-Zellen variiert der Verlauf aber in Details. Bei dem in Bild 5 dargestellten Graphen liegt die Schwankung bei ca. 5 mv für 5 % SOC p 95 %. Bei LFP/LTO-Zellen eines anderen Herstellers wurde eine Schwankung von ca. 20 mv ermittelt. Die auf der Ruhespannung basierende Ladezustandsbestimmung ist somit für LFP/LTO-Akkus nicht geeignet. Im Teil 2 folgen Innenwiderstandsmessung und Impedanz-basierende Methoden sowie die Soft-Computing- Methoden. Ergebnis der Untersuchungen sind zwei konkrete Ansätze zur Ladezustandsbestimmung an LFP/LTO- Akkus. hs Die dem Aufsatz zugrundeliegende Forschungsarbeit entstand mit freundlicher Unterstützung der Deutronic Elektronik GmbH. Literatur [1] Okoshi, T.; Yamada, K.; Hirasawa T.; Emori, A.: Battery condition monitoring (BCM) technologies about lead acid batteries. Journal of Power Sources, 2006, H. 158, S [2] Nelson, R. F.: Power requirements for batteries in hybrid electric vehicles. Journal of Power Sources, 2000, H. 91, S [3] Dambrowski, J.: Aging-invariance of the open-circuitvoltage of NMC-lithiumion-cells. Fachtagung Kraftwerk Batterie 2012, Münster, [4] Lu, W.; Belharouak, I.; Vissers, D.; Amine, K.: In Situ Thermal Study of Li 1+x [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] 1-x O 2 Using Isothermal Micro-clorimetric Techniques. Journal of The Electrochemical Society, 2006, H. 153, S. A2147 A2151. [5] Yabuuchi, N.; Ohzuku, T.: Novel lithium insertion material of LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 for advanced lithium-ion batteries. Journal of Power Ruhespannung U0 [V] Sources, 2003, H , S [6] Prosini, P. P.: Iron Phosphate Materials as Cathodes for Lithium Batteries. Springer-Verlag, 2011, ISBN [7] Nazri, G.-A.; Pistoa, G.: Lithium batteries: science and technology. Springer-Verlag, 2009, ISBN-10: [8] Whittingham, M.S.: Lithium Batteries and Cathode Materials. Chemical Reviews, 2004, H. 104, S [9] Aifantis, K. E.; Hackney, S. A.; Kumar, R. V.: High Energy Density Lithium Batteries: Materials, Engineering, Applications. Wiley-VCH Verlag, 2010, ISBN-10: [10] Yoshio, M.; Brodd, R. J.; Kozawa, A.: Lithium-Ion Batteries: Science and Technologies, Springer-Verlag, 2009, ISBN-10: [11] Zaghib, K.; et al.: Safe and fast-charging Li-ion battery with long shelf life for power applications. Journal of Power Sources, 2011, H. 196, S [12] Ariyoshi, K.; Ohzuku, T.: Conceptual design for 12 V lead-free accumulators for automobile and stationary applications. Journal of Power Sources, 2007, H. 174, S [13] Kitta, M.; Akita, T.; Maeda, Y.; Kohyama, M.: Study of surface reaction of spinel Li 4 during the first lithium insertion and extraction processes Prof. Dr. Jonny Dambrowski hat Mathematik und Physik an der Universität Regensburg studiert. Seit März 2013 ist er Professor für Mathematik an der Hochschule Regensburg. Zuvor forschte und lehrte er drei Jahre an der TU München. Seine Schwerpunkte liegen in den Bereichen der mathematischen Beschreibung von Energiespeichern, modellbasierter Zustandsdiagnostik, fortgeschrittener Ladeverfahren sowie Optimierung von Betriebsstrategien für Blei- und Lithium-Ionen-Akkus. jonny.dambrowski@hs-regensburg.de 2,02 2,00 1,98 1,96 1,94 1,92 1,90 1,88 1,86 1,84 Bild 5. An einer LFP/LTO-Zelle beträgt die gemessene Ruhespannungshysterese (95%) (5%) nur ca. 5 mv gemessen bei einer Zellentemperatur von 25 C ±1 C, einer Lade-/Entladestromstärke von 0,5 C in variablen q-schritten und je 12 h Pause. Damit ist die Ruhespannungsmethode zur SOC-Bestimmung für diese Li-Ionen-Zellen nicht anwendbar. (Rot: Laden, Blau: Entladen.) using atomic force microscopy and analytical transmission electron microscopy. Langmuir, 2012, H. 28, S [14] Ge, H.; et al.: Study on the Theoretical Capacity of Spinel Lithium Titanate Induced by Low-Potential Intercalation. The Journal of Physical Chemistry, 2009, H. 113, S Elektronik 7/