Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Trots de miljömässiga fördelarna medför beroendet av litiumjonbatterier betydande utmaningar, där slutanvändarnas oro inkluderar räckviddsångest, rädsla för batterifel och tiden det tar att ladda. För att minska dessa krävs inte bara innovationer inom cellkemi, systemarkitekturer och laddningsalgoritmer, utan också möjligheten att noggrant övervaka och förutsäga batteriets prestanda.
Batterihanteringssystemet (BMS) är en av de viktigaste komponenterna för att ge en säker och effektiv drift. En av huvudfunktionerna är att säkerställa att varje litiumjoncell i batteripaketet fungerar inom sitt säkra arbetsområde (Safe Operating Area, SOA). Drift utanför detta kan leda till allvarliga konsekvenser, inklusive termisk rusning (thermal runaway, TR).

Trots att det nominellt säkra arbetsområdet definierats utifrån en statistisk population av batterier, arbetar varje enskild cell i batteripaketet under olika driftsförhållanden beroende på fordonet och dess kör- och laddningsprofil. Den varierande belastningen på cellerna kan leda till en situation där varje cells interna tillstånd, inklusive graden av litiumplätering eller elektrodsprickor, skiljer sig avsevärt både inom ett enskilt batteripaket och mellan olika batteripaket. Därför krävs en icke-invasiv metod för att samla information om cellens tillstånd på mikroskopisk nivå, som ett komplement till redan tillgängliga batteriparametrar, för att kunna göra noggranna uppskattningar av batteriprestanda och förutsäga batterifel.

Termisk rusning i litiumjonbatterier
Termisk rusning är en våldsam kedjereaktion av exotermiska kemiska reaktioner som resulterar i en okontrollerbar temperaturökning i systemet. Detta kan leda till en spridningsprocess som i värsta fall slutar med en batteribrand. I litiumjonbatterier kan termisk rusning utlösas av mekaniska skador, extern värme, kortslutning eller överladdning.

Elektrokemisk impedansspektroskopi
EIS är en kraftfull teknik för att karakterisera elektrokemiska system som ­litiumjonceller. Metoden fångar cellens respons över ett brett frekvensområde, där olika frekvenser korrelerar med specifika fysikaliska, ­kemiska och mekaniska förändringar i det aktiva materialet. Den grundläggande metoden innebär att en liten exciteringssignal (en växel­ström) appliceras genom litiumjoncellen, och den resulterande spänningen mäts. ­Genom att analysera strömmen och den uppmätta spänningsresponsen kan impedansen för litium­jon-cellen bestämmas.

Potentiella användningsfall för EIS i elfordon
1. Tidig förutsägelse av termisk rusning i litiumjonceller
Enligt den kinesiska standarden GB 38031-2020, som trädde i kraft i januari 2021 för alla elfordon som säljs i landet, måste batteripaketet eller systemet ge en varningssignal minst fem minuter innan en termisk händelse i passagerarutrymmet som exempelvis kan bero på en enskild battericells termiska rusning.

Figur 3 jämför klassiska batterisensorer (spänning, temperatur, ström, tryck och gas) och deras begränsningar i att förutsäga termisk rusning (TR) och dess spridning. Dessutom visas hur impedansmätning kan ge tidig identifiering av termisk rusning.

2. Sensorlös uppskattning av inre temperatur i litiumjonceller
Övervakning av celltemperaturen är avgörande för säkerheten och livslängden hos ­litiumjonbatterier. Att placera en temperatursensor på varje cell i ett batteripaket är dock inte en genomförbar lösning. Dessutom är temperaturgivare vanligtvis monterade på cellens yta, vilket innebär att de endast ger en indirekt mätning av den inre temperaturen.

EIS ger samma funktion utan interna eller externa hårdvarukomponenter. Detta kan förbättra förståelsen för cellens säkra arbetsområde (Safe Operating Area, SOA), vilket leder till bättre utnyttjande av varje cell i batteripaketet. Därmed kan en mer effektiv användning av cellens energi potentiellt ge samma körsträcka men med färre celler i paketet. Dessutom kan detta optimera systemkostnaden genom att minska behovet av temperaturgivare.

3. Förbättrad snabbladdningskapacitet
Ofta sätter tillverkarna och cellerna strikta säkerhetsmarginaler inom vilka en litium­joncell kan användas. Detta begränsar ofta systemets förmåga att leverera optimal prestanda, särskilt vid laddning.

EIS ger en tillförlitlig indikation på en litium­joncells tillståndsparametrar. Beroende på cellens aktuella status kan snabbladdningsprofilen anpassas i realtid vid laddningsstationen.

I verkliga tillämpningar kan EIS användas på bland annat följande sätt:

● Central excitation och central mätning
Batteripaketet exciteras med en central strömkälla, såsom en drivlinjeomriktare. Excitationsströmmen och spänningsfallet över cellen kan mätas av cellövervakningskretsen och strömsensorn. Styrkretsen beräknar sedan impedansen med hjälp av spänning och ström. Denna metod har fördelen att den återanvänder redan tillgängliga sensordata genom att anpassa algoritmerna, men den kan vara begränsad till specifika körlägen.

● Lokal excitation och lokal mätning
Varje cellmodul inom batteripaketet exciteras med hjälp av en lokal exciteringskrets. Spänningsfallet kan sedan mätas för varje modul varefter impedansen beräknas lokalt i kretsen. Denna metod kan minska belastningen på kommunikationsbussen till styrkretsen, men kan samtidigt innebära högre kostnader eftersom den kräver vissa extra komponenter för att generera exciteringsströmmen och leda bort värmen.

ST:s förslag för EIS
För att mäta batteriimpedans krävs två komponenter: ett exciteringssystem och ett insamlingssystem för att mäta cellspänning och ström. Insamlad data bearbetas av dedikerade styrkretsar som fungerar som en BMS. ST har ett flertal produkter med en balans mellan prestanda, robusthet och kostnad för EIS-baserad diagnostik.