Litiumioniakun simulaatiomallien vertailu COMSOL-ohjelmistolla

Abstract

Litiumioniakkuja käytetään useissa eri akkusovelluskohteissa ja niiden käyttö kasvaa jatkuvasti. Akkukennon kemiallisen ja fysikaalisen käyttäytymisen tuntemisella voidaan merkittävästi vaikuttaa akun turvallisuuteen, tehokkuuteen ja käyttöikään optimoimalla akun käyttö sopivasti. Simulaatiomenetelmät jaotellaan yleensä fysikaalisiin malleihin ja semiempiirisiin ekvivalenttipiirimalleihin. Fysikaalisissa malleissa akusta määritetään geometriset, fysikaaliset sekä kemialliset parametrit, joiden avulla luodaan tarkka malli akun rakenteesta ja ominaisuuksista. Semiempiirisissä ekvivalenttipiirimalleissa suoritetaan laboratoriotestejä akkukennolle käyttöolosuhteissa. Testeistä saatuihin tuloksiin sovitetaan sopiva malli. Tarkka fysikaalinen Doyle-Fuller-Newmannin malliin, eli DFN-malliin, perustuva osittaisdi erentiaaliyhtälöryhmä kuvaa akkukennon toimintaa hyvin tarkasti fysikaalisesti, mikä on kuitenkin akunhallintajärjestelmään liian raskas. Rakentamalla supistetun tason malli osittaisdi erentiaaliyhtälöistä voidaan mallintaa litiumioniakkua merkittävästi nopeammin ja tehokkaammin ilman merkittävää tarkkuuden heikentymistä. Tarkalla fysikaalisella mallilla voidaan mallintaa akkua kaikissa tilanteissa, kuten myös akun ikääntyessä. Semiempiirisissä malleissa akkukennon käyttäytymistä tutkitaan testiolosuhteissa, mistä luodaan ekvivalenttipiirimalliin pohjautuva mallinnus. Tässä kennon toimintaa verrataan vaihtovirtapiiriin, jossa vaihtovirtakomponentteja on sopivasti aseteltu kuvaamaan litiumioniakun impedanssin käyttäytymistä. Malli vaatii kuitenkin tarkkoja mittauksia, jotka on aina ympäristön tai akkukennon muuttuessa tehtävä uudelleen. Malli ei myöskään kykene mallintamaan ikääntymistä. Tässä työssä fysikaaliset mallit rakennetaan COMSOL-ohjelmistolla, joka mallintaa osittaisdi erentiaaliyhtälöitä FEM-menetelmällä, eli Finite Element Method - menetelmällä. Ohjelmistolla simuloidaan kaupallisen 18650-koon sylinterikennonkennon yksi-, kaksi- ja kolmiulotteiset DFN-mallit sekä nollaulotteinen Single Particle -malli, eli SP-malli. Mallien tasa- ja pulssivirta mittaustuloksia vertaillaan todelliseen kennodataan. Semiempiirisen mallin parametrit määritetään kennon impedanssin mittaukseen sovittamalla, minkä jälkeen parametrit sijoitetaan koodattuun ekvivalenttipiirimalliin. Mallin tasavirtatuloksia verrataan todelliseen mittausdataan. Tuloksina fysikaalisesta mallista ei saatu tarkkoja tuloksia, jotka sopisivat hyvin vertailuksi otettuun mittausdataan. Fysikaalisten mallien vertailussa huomattiin kuitenkin SP-mallin jännitekäyrien sopivan paremmin tuloksiin kuin DFN-mallin, mik ä todennäköisesti johtui SP-mallin parametrien yksinkertaisuudesta. Suurimmaksi haasteeksi fysikaalisissa malleissa havaittiinkin parametrien tarkka määritys. Semiempiirisell ä ekvivalenttipiirimallilla saavutettiin hyvin tarkkoja tuloksia, mikä oli kuitenkin odotettavissa mallin pohjalla olevien tarkkojen laboratoriomittausten jälkeen.