Impedance-Based Loss Calculation and Thermal Modeling of Electrochemical Energy Storage Devices for Design Considerations of Automotive Power Systems

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1 Impedance-Based Loss Calculation and Thermal Modeling of Electrochemical Energy Storage Devices for Design Considerations of Automotive Power Systems Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Dirk Linzen aus Aachen Berichter: Universitätsprofessor Dr. ir. Rik W. De Doncker Universitätsprofessor Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Kay Hameyer Professor Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer Tag der mündlichen Prüfung: 9. Dezember 2005

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3 Dirk Linzen Impedance-Based Loss Calculation and Thermal Modeling of Electrochemical Energy Storage Devices for Design Considerations of Automotive Power Systems

4 Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005 AACHENER BEITRÄGE DES ISEA Herausgeber: Universitätsprofessor Dr. Rik W. De Doncker Leiter des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen (ISEA) Aachen D 82 (Diss. RWTH Aachen) Copyright Shaker Verlag 2006 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publishers. Printed in Germany. ISBN-10: ISBN-13: ISSN X Shaker Verlag GmbH P.O. BOX D Aachen Phone: 0049/2407/ Telefax: 0049/2407/ Internet: info@shaker.de

5 Vorwort 3 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der Rheinisch- Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen. An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor De Doncker, dem Leiter des Instituts, für seine Betreuung. Er hat mich stets in meiner wissenschaftlichen Arbeit unterstützt und mir die Möglichkeit zur Erstellung der vorliegenden Arbeit gegeben. Darüber hinaus möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Professor Sauer bedanken, der ab dem Jahr 2003 die wissenschaftliche Leitung der Fachgruppe "Elektrochemische Energiespeicher und Speichersysteme" übernommen hat. Durch sein Fachwissen und die zahlreichen technischen Diskussionen hat er maßgeblich zum Gelingen beigetragen. Ebenso danke ich Herrn Professor Hameyer für sein Interesse an dieser Arbeit und für die bereitwillige Übernahme des Korreferates. Für die vielen interessanten und hilfreichen Diskussionen möchte ich mich ganz besonders bei meinen Kollegen/innen aus der "Batteriegruppe" bedanken. Gerne denke ich an die Zeit zurück, in der wir uns das viel zu kleine Batterielabor geteilt haben und gemeinsam Projekte bearbeitet haben. Des weiteren möchte ich allen Kollegen und Studenten, insbesondere meinen Diplomanden, Studienarbeitern sowie den HiWis und WiHis danken, die mich während meiner Zeit am ISEA bei meinen Arbeiten unterstützt haben. Ferner möchte ich allen ISEAnern, den wissenschaftlichen und nichtwissenschaftlichen Mitarbeitern sowie den Studenten, den Auszubildenden und den Gästen für die von Hilfsbereitschaft geprägte Zusammenarbeit und die angenehme Arbeitsatmosphäre danken. Ganz herzlich möchte ich mich auch bei meinen Eltern bedanken, die mich während meiner gesamten Ausbildung unterstützt haben und mir die Möglichkeit zum Studium gegeben haben. Meiner Freundin Ulli danke ich für ihre Geduld und Unterstützung während der Zeit, in der ich diese Arbeit erstellt habe. Aachen, im Dezember 2005 Dirk Linzen

6 4 Contents Contents 1 INTRODUCTION AUTOMOTIVE ELECTRICAL SYSTEMS Historic development Electrical components in vehicles Hybrid electrical vehicles Energy storage technologies Lead-acid batteries Lithium-ion batteries Ni-MH batteries Double-layer capacitors Development and design of automotive power systems HEAT TRANSFER MODEL Fundamentals of heat transfer Heat transfer mechanisms Conduction Convection Mass transport by fluids Radiation Literatur survey of heat transfer models Implementation of the heat transfer model IMPEDANCE-BASED HEAT GENERATION MODEL Heat generation in electrochemical energy storage devices Electrochemical impedance spectrospy Measuring principle Impedance-based modeling approach Heat generation in electrochemical double-layer capacitors...55

7 Contents Impedance-based simulation model for double-layer capacitors Impedance-based loss calculation for double-layer capacitors Reversible heat effect in double-layer capacitors Heat generation in lithium-ion batteries Impedance-based simulation model for lithium-ion batteries Impedance-based los calculation for lithium-ion batteries Calculation of heat generation in lead-acid batteries Impedance-based heat generation model Internal oxygen cycle in valve-regulated lead-acid batteries Non-uniform heat generation in electrochemical storage devices PARAMETERIZATION OF THE THERMAL MODEL Parameterization of the heat dissipation model Parameterization of the heat generation model Design of experiments VERIFICATION AND DISCUSSION OF THE THERMAL MODEL Double-layer capacitor Lithium-ion battery Valve-regulated lead-acid battery Discussion of the simulation approach APPLICATION OF THE THERMAL MODEL Aging of double-layer capacitors Cooling strategies for double-layer capacitors Robust design of energy storage stacks The origin of six sigma Probabilistic design method Application example SUMMARY AND FUTURE PERSPECTIVE BIBLIOGRAPHY APPENDIX List of abbreviations List of symbols and constants Thermal conduction: Calculation of the thermal resistance...131

8 6 Contents Thermal resistance for a prismatic cell design Thermal resistance for a cylindrical cell design Convection: Calculation of Nusselt numbers Nusselt numbers for a prismatic cell design Nusselt numbers for a package of prismatic cells Nusselt numbers for a cylindrical cell design Nusselt numbers for a package of cylindrical cells Thermal properties of selected materials Analogy between electrical and thermal systems M-Function: Design of experiments Deutsche Zusammenfassung (German Summary) Lebenslauf (Curriculum Vitae)...150