Evaluating the use of in-situ sensors for Lithium-Ion pouch cells

Abstract

In dieser Arbeit wurden drei Methoden getestet und analysiert, um die Temperatur, den Ladezustand und den Alterungszustand von Lithium-Ionen-Pouchzellen zu messen. Diese Methoden sollen mehr Informationen über den Zustand der Batterie während des Betriebs liefern, um die Effizienz zu erhöhen, die Lebensdauer zu verlängern und die Sicherheit zu steigern. Um die Genauigkeit der Temperaturmessung zu verbessern, wurde ein Sensor in das Elektrodenpaket integriert. Das Experiment hat gezeigt, dass der innere Sensor während eines Überladungstests eine Temperatur von ungefähr 80 C gemessen hat, während ein Sensor außerhalb der Zelle meist 60 C nicht überschritten hat. Für die zweite Methode wurde die Laufzeitmessung von akustischen Wellenpaketen gemessen, die durch eine Lithium-Ionen-Pouchzelle geschickt wurden, um den Ladezustand zu ermitteln. Ein Signal, moduliert aus einer Dreieck-Fensterfunktion und einem hochfrequenten Sinussignal, wurde benutzt, dessen Eigenschaften diskutiert und die optimale Zyklenzahl gewählt, um genaue und wiederholbare Ergebnisse zu bekommen. Eine lineare Abhängigkeit zwischen Laufzeit und dem Ladezustand wurde festgestellt für einen Bereich von 100 bis zu 20 % Ladezustand wobei die Laufzeit um 9.4 % kürzer wurde. Für die dritte Methode wurde ein force-sensitive-resistor verwendet um die qualitative Volumenänderung einer Pouchzelle während des Ladens und Entladens zu messen. Mit einer einfachen und kostengünstigen Konstruktion, war es möglich, an kommerziell erhältlichen Pouchzellen Druckänderungen zu messen, welche ident mit den Resultaten vorangegangener Studien sind. Es war möglich, die Phasen der Lithium (De-)Interkalation und einen Zusammenhang zwischen Gesamtdruckänderung und Kapazität der Zelle festzustellen. Durch alle drei Methoden war es möglich, mit einfachen Konstruktionen, wichtige Informationen über den Zustand der Lithium-Ionen-Pouchzelle zu erhalten.

In this thesis, three different methods were tested and evaluated to measure the temperature, the state-of-charge and the state-of-health of lithium ion pouch cells. Those methods help to improve the efficiency, extend the service life and increase the safety of lithium ion batteries. To improve the accuracy of the temperature measurement, a sensor was placed inside the electrode pack of the cell to get more accurate data. In the experiments, it was shown that the temperature measurement inside the cell during overcharge tests measured temperatures of about 80 C while outside sensors mostly measured less than 60 C. The second evaluated method measured the time-of-flight of acoustic waves through the pouch cell to determine the state-of-charge. A triangle-windowed sinusoidal wave package was used and its important characteristics were discussed and defined to get accurate and repeatable results. A linear correlation between the change in time-of-flight and state-of-charge was measured for a range from 100 to 20 % charging level with a change of time-of-flight of 9.4 %. The third method used a force-sensitive-resistor to measure the qualitative volume change of a pouch cell for charging and discharging. With a simple and cheap construction, it was possible to measure pressure changes in commercial cells which correspond with the findings of previous studies. It was possible to determine different phases of lithium (de-)intercalation and a relation between total pressure change and cell capacity was measured. All three methods proved to be capable to gather more information of the state of a lithium ion pouch cells with simple and practical constructions.