Electrical and thermal characterization of large lithium-ion batteries for non-road mobile machinery applications

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2016-08-26
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
169
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 84/2016
Abstract
Commercial lithium-ion battery modules are commonly used to form battery packs for hybrid and electric non-road mobile machinery. The characterization of batteries is a time-consuming task, because very slow dynamics are present and the characteristics are strongly affected by the state of charge, discharge rate, and temperature. Batteries also exhibit reversible heat generation, which is associated with the entropy change in the electrodes resulting from structural changes caused by the intercalation of lithium ions during charging and discharging. The entropy change characteristics, which can be either exothermic or endothermic, are strongly dependent on the materials and composition of the electrodes, and thus, the entropy change characteristics need to be obtained experimentally. This dissertation proposes efficient and effective methods for the electrical and thermal characterization of lithium-ion batteries. The aim is to reduce the time and effort involved in the experimental testing and parameterization as well as to improve the accuracy of the resulting model. A semi-empirical approach, in which the battery model consists of coupled lumped-parameter electrical and thermal models and the characterization is performed on the basis of current, voltage, and temperature data, is adopted in this dissertation. A systematic methodology is presented for the characterization of the capacity, open-circuit voltage, internal impedance, entropy change, and thermal properties by using only two types of experiments, which can be applied for commercial battery modules: (i) galvanostatic intermittent discharging and charging and (ii) continuous thermal loading. Module-level characterization inherently includes the manufacturing tolerances between the cells in a module as well as the effects of the cooling system into the model. Furthermore, it results in a low-order model that can be scaled for any battery pack configuration. The use of a conventional potentiometric method for entropy change characterization takes several weeks to complete. In this dissertation, a novel entropy change characterization method is presented, which uses the empirical temperature data from the galvanostatic intermittent discharging and charging experiments and the corresponding estimated temperature data to extract the entropy change characteristics. The advantage of the method is that no dedicated characterization experiment is needed. Furthermore, because the entropy change is not dependent on the rate or temperature, the characterization can be performed with the data from several experiments, which improves the accuracy of the results.

Sähkö- ja hybridikäyttöisten liikkuvien työkoneiden akkupaketeissa käytetään yleisesti kaupallisia litiumioniakkumoduuleja. Akkujen hitaan dynamiikan sekä akun varaustason, lämpötilan ja virran vaikutuksien vuoksi akkujen karakterisointi on työlästä. Lisäksi interkalaatioon perustuva toiminta aiheuttaa latauksen ja purun aikana elektrodeilla reaktioita, jotka voivat olla varaustasosta ja virran suunnasta riippuen joko eksotermisiä tai endotermisiä. Nämä reaktiot ovat seurausta lataamisen ja purun aikana elektrodeilla tapahtuvasta entropian muutoksesta. Elektrodien materiaalit ja koostumus vaikuttavat suuresti entropian muutoksen karakteristiikkaan, joten se on määritettävä kokeellisesti. Tässä väitöskirjassa esitetään tehokkaita menetelmiä litiumioniakkujen sähköiseen ja termiseen karakterisointiin. Tutkimuksen tavoitteena on vähentää akun kokeelliseen testaamiseen ja mallin parametrointiin tarvittavaa aikaa ja työtä sekä parantaa mallin tarkkuutta. Väitöskirjassa akun karakterisoinnissa käytetään puoli-empiiristä lähestymistapaa, jossa akun sähköisten ja termisten ominaisuuksien mallintamiseen käytetään sähköisiä sijaiskytkentöjä, ja nämä mallit parametroidaan empiirisesti karakterisointikokeiden perusteella. Karakterisointikokeissa akkua kuormitetaan virralla ja siitä mitataan napajännite ja lämpötila. Tutkimuksessa esitetään systemaattinen menetelmä akun kapasiteetin, avoimen piirin jännitteen, sisäisen impedanssin, entropian muutoksen ja lämpöominaisuuksien karakterisoimiseksi kahden erilaisen kokeen avulla, jotka on mahdollista tehdä kaupallisille akkumoduuleille: (i) galvanostaattinen jaksottainen purku- ja latauskoe sekä (ii) jatkuva terminen kuormituskoe. Akun karakterisointi moduulitasolla sisällyttää malleihin kennojenväliset pienet poikkeamat mm. impedanssissa ja kapasiteetissa sekä jäähdytysjärjestelmän vaikutukset lämpöominaisuuksiin. Menetelmän avulla saadaan matalan asteluvun akkumoduulimalli, joka skaalautuu helposti myös akkupaketille. Kun käytetään perinteistä potentiometristä menetelmää, entropian muutoksen karakterisointiin kuluu useita viikkoja. Tässä väitöskirjassa esitetään uudenlainen karakterisointimenetelmä, jossa verrataan galvanostaattisen jaksottaisen purku- ja latauskokeen aikana mitattua lämpenemää estimoituun lämpenemään, ja tämän perusteella määritetään entropian muutos. Menetelmän etuna on se, että erillistä karakterisointikoetta ei tarvita. Karakterisointi on myös mahdollista toistaa käyttäen eri virroilla ja lämpötiloissa kerättyä dataa, mikä parantaa tulosten tarkkuutta.
Description
Supervising professor
Ovaska, Seppo J., Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
lithium-ion battery, energy storage, characterization, modeling, entropy change, non-road mobile machinery, commercial vehicle, vehicle simulation, litiumioniakku, energiavarasto, karakterisointi, mallintaminen, entropian muutos, liikkuva työkone, hyötyajoneuvo, ajoneuvosimulointi
Other note
Citation