Condition monitoring of Lithium-Ion Batteries for electric and hybrid electric vehicles

Abstract

Since the early 1990s Lithium-Ion Batteries have stated a key technology in rechargeable batteries due to their high volumetric and gravimetric energy densities and were first introduced in personal devices like camcorders, cellular phones and mobile computers (''3-C applications''). Ongoing evolutionary advances release at present a new spate of research activities to extend the operational area of small-sized batteries with the final aim to achieve reliable energy storage in automotive environments (e.g. hybrid vehicles).High absolute energy amounts of large-scale Lithium-Ion Batteries raise safety and lifetime issues and set demands for methods to monitor the health conditions of batteries for automotive applications. By observing significant system variables, imminent failures of single cells or battery packs are in many cases predictable and suitable counteractions can be initiated.The paper gives a brief introduction to the state-of-the-art of advanced batteries for electric and hybrid electric vehicles. Special focus is put on the monitoring of safety-relevant system parameters like cell-voltage, system temperature and headspace-pressure, their significance on the battery's state-of-health (SOH) and possible cell-failures. Different in-situ, ex-situ and onboard measurement techniques are addressed.Zustands € u uberwachung von Lithium-Ionen-Batterien in Elektro-und Hybridfahrzeugen.Seit den fr€ u uhen 1990ern stellen Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen volumetrischen und gravimetrischen Energiedichten eine Schl€ u usseltechnologie im Bereich der wiederaufladbaren Batterien dar und wurden in Videokameras, Mobiltelefonen und Notebooks (,,3-C-Anwendungen'') verwendet. Laufende Verbesserungen haben zurzeit eine neue Welle von Forschungsaktivit€ a aten ausgel€ o ost, um das Anwendungsgebiet von kleinen Batterien mit dem Ziel zu erweitern, zuverl€ a assige Energiespeicher f€ u ur Fahrzeuganwendungen, z. B. f€ u ur Hybridfahrzeuge, zu erhalten. Die hohen Energiemengen der großen Lithium-Ionen-Batterien werfen neue Fragestellungen zu den Problemkreisen Sicherheit und Lebensdauer auf und machen Methoden zur € U Uberwachung des Alterungszustandes von Fahrzeugbatterien notwendig. Durch die Beobachtung signifikanter Systemvariablen k€ o onnen in vielen F€ a allen bevorstehendes Versagen von Einzelzellen oder Batteriepaketen vorhergesagt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dieser Beitrag gibt eine kurze € U Ubersicht € u uber den aktuellen Stand der Entwicklung von Hochleistungsbatterien f€ u ur Hybrid-und Elektrofahrzeuge. Einen Schwerpunkt stellt die € U Uberwachung der sicherheitsrelevanten Systemparameter wie Zellspannung, Systemtemperatur und Gasdruck sowie deren Einfluss auf den Alterungszustand (SOH) der Batterie und der M€ o oglichkeit von Zellversagen. Dabei werden unterschiedliche In-situ-, Ex-situ-und Onboard-Messtechniken er€ o ortert. Schl€ u usselw€ o orter: Fahrzeugbatterien; Lithium-Ionen-Batterien; Hybridfahrzeug; Elektrofahrzeug; Zustands€ u uberwachung

Crosstalk compensation for a rapid, higher-resolution impedance spectrum measurement

“…The battery (or other energy storage device) is excited with the input signal in Equation (1), and the response is captured, as shown in Equation (4), where B i and I i are the unknown amplitude and phase of the i th response signal, respectively. The variable n represents the discrete time step integer (n = 0, 1, 2, 3, … N), where N+1 is the total number of samples within the captured time record, and 't is the sample time step.…”

“…Due to the high cost of energy storage devices, including batteries, ultracapacitors, and fuel cells, there is also a growing need for highly accurate and robust state-of-health (SOH) assessment techniques. Existing health assessment methods tend to focus on passive measurements, where the voltage and current are monitored as functions of time and ambient temperature [1][2][3][4]. This approach is very beneficial for tracking changes in parameters such as capacity, energy, and state-of-charge (SOC).…”

Batterietechnik und -management im Elektrofahrzeug

“…Auf die Anfä nge der Technologie der elektrochemischen Energiespeicher sowie auf die elektrochemischen Eckdaten der wichtigsten Batterietypen wurde bereits in einer vorigen Ausgabe dieser Zeitschrift von (Sternad et al, 2009) eingegangen und werden daher an dieser Stelle nur kurz zusammengefasst (Tabelle 1). Eine detaillierte Aufstellung einer Vielzahl von Zelltypen gibt (Linden, 2008).…”

Effects of Temperature on Internal Resistances of Lithium-Ion Batteries

“…A lithium-ion battery is becoming more and more dominant in consumer electronics and automotive applications [1][2][3][4][5][6][7][8], Second generation lithium-ion batteries have higher capacity and good operating temperature ranges. Still yet at subzero temperatures, capacity is not good enough and resistance is quite high to apply high discharge and charge current pulses [9][10][11][12][13][14][15].…”