Investigation of Battery Parameters for Li-ion Battery State of Health Estimation

Abstract: Miljöpåverkan från konventionella förbränningsmotorer har bidragit till en övergång till elmotorer. I denna övergång spelar litiumjonbatterier en viktig roll som energilagringssystem, men på grund av sin reaktiva kemi kan de utgöra en säkerhetsrisk. I likhet med civilsamhället står Försvarsmakten inför ett skifte där förbränningsmotorer ska bytas ut mot el- och hybridmotorer. För en säker militär tillämpning är det därför viktigt att förstå hur litiumjonbatterier beter sig vid åldrande och bortom ramen för normal användning. Detta projekt syftar till att identifiera batteriparametrar (impedans, resistans, kapacitet och yttemperatur) att använda för bedömning av batteriets hälsotillstånd. Vidare syftar projektet till att värdera de identifierade batteriparametrarnas lämplighet för militära applikationer. Som en del av syftet undersöker detta projekt omgivningstemperaturens effekt på batteriparametrarna, samt använder batteriparametrarna för att uppskatta när ett batteri kan klassas som förbrukat. Kommersiella NMC/grafit-litiumjonbatterier åldrades genom full upp- och urladdning. Varje batteri utsattes för maximalt 250 upp- och urladdningscykler vid laddningsströmmar om 4 A och urladdningsströmmar om 10 A. Åldrandet övervakades genom regelbunden mätning av impedans, resistans, kapacitet och yttemperatur. Batterierna cyklades vid antingen 52 ± 3 °C, 21 ± 3 °C eller −15 ± 3 °C för att studera omgivningstemperaturens effekt på de undersökta batteriparametrarna. Impedansmätningar vid 980 Hz var stabilast med avseende på variationer i omgivningstemperatur samt batteriets laddningsnivå, och ansågs därför vara den lämpligaste batteriparametern att använda för uppskattning av batteriets hälsotillstånd när tillämpningen kräver stor flexibilitet. Förändringar i resistans och kapacitet vid givna omgivningstemperaturer ansågs å andra sidan bättre återspegla batteriets åldringsgrad. Därför ansågs resistans och kapacitet vara de lämpligaste batteriparametrarna för uppskattning av batteriets hälsotillstånd med avseende på precision. Mätning av yttemperatur gav otillräcklig information för att uppskatta batteriernas hälsotillstånd med precision. En sänkning av omgivningstemperaturen från 21 °C till −15 °C hade en stor påverkan på resistans och kapacitet; resistansen ökade medan kapaciteten minskade, vilket motsvarar en reducerad batteriprestanda. Med avseende på kapacitetsförlust så förbrukades inget av batterierna som förvarades i 21 °C under cyklingen. Batterier som förvarades i 52 °C och −15 °C var förbrukade efter 150–200 cyklingar. Med avseende på resistansökning var ett av batterierna som förvarades vid 21 °C förbrukat efter 200 cyklingar. Samtliga batterier förvarade vid 52 °C var förbrukade efter 150–200 cyklingar, medan batterier förvarade vid −15 °C var förbrukade efter 200–250 cyklingar. Slutligen, med avseende på impedansmätning vid 980 Hz så tog det 200 cyklingar tills dess att ett av batterierna som förvarades i 21 °C var förbrukat. Ett av batterierna som förvarades i 52 °C var förbrukat efter 150 cyklingar. Batterier förvarade vid −15 °C var förbrukade efter 200–250 cyklingar.