Design of resonant filters for AC current magnification : heating of Li-ion batteries by using AC currents

Abstract

Die Anwendung von Wechselströmen um Batterien bei Minustemperaturen aufzuheizen, wird heutzutage von zahlreichen Forschungsgruppen untersucht. Die vorliegende Arbeit behandelt ein Resonanzphänomen, durch welches mit Hilfe von Stromverstärkung in der Batterieimpedanz Verlustleistung erzeugt wird. Dadurch kann die Batterietemperatur erhöht werden. Dabei wird die Zelle über die Übertragungsfunktion der Impedanz dargestellt, die mit Hilfe von Messungen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie abgeschätzt wird. Für die Messungen wurde eine LiNi3/Mn3/Co3/O2-Zelle verwendet. Dabei ist zu beachten, dass bei einer Erregerfrequenz von 1 kHz und Raumtemperatur (20°C) der ohmsche Widerstand der Zelle lediglich 0.76mΩ beträgt. Fünf verschiedene Resonanzschaltungen wurden untersucht und eine davon wurde als Basis für einen Filterentwurf verwendet. Die ausgewählte Schaltung ist ein LCL-Filter mit Stromverstärkung. Der Umrichter im Versuchsaufbau, der für die Experimenten verwendet wird, kann als Halbbrücke oder Vollbrücke, mit oder ohne Stromregelung betrieben werden. Für alle möglichen Konfigurationen wurden LCL-Filter und Stromregler entworfen und dabei wurden die entsprechenden Frequenz-, Stromund Spannungsbegrenzungen berücksichtigt. Der Filterentwurf basiert auf einer multikriteriellen Optimierung, die eingesetzt wird, um die Werte der Filterkomponenten zu bestimmen und einen höchstmöglichen Gewinn zu erzielen. Die Methode minimiert zwei Zielfunktionen, um somit eine optimale Lösung zu finden. Die erste Zielfunktion ist der invertierte Betrag des Gewinns, während die zweite Zielfunktion den Betrag der Schaltungsimpedanz darstellt. Der Gewinn wird als das Verhältnis zwischen dem im Batteriezweig induzierten Strom und dem Eingangsstrom definiert. Die Ergebnisse der Optimierungsmethode wurden experimentell verifiziert. Abhängig von der praktischen Realisierung der Filter und unterschiedlichen Umrichter-Anordnungen, wurde dabei ein Gewinnwert von 16 erreicht. Letztendlich wurden die drei untersuchten Anordnungen mit einem Referenzfall (Umrichter-Halbbrücke mit implementiertem Stromregler und einzelner Induktivität) im Bezug auf den Wirkungsgrad verglichen. Die Leistungsmessungen zeigen, dass die Filterverluste im Vergleich zum Referenzfall insgesamt im ähnlichen Umfang bleiben, obwohl gewisse Gewinne im Bezug auf den Referenzfall erzielt wurden. Das kann anhand der hohen Werte (ca. 40mΩ) des parasitären Widerstands der Filter erklärt werden. Dies weist darauf hin, dass geringe Werte des parasitären Widerstands von großer Bedeutung sind und in dieser Arbeit weisen sie ein Verbesserungspotenzial auf.

Using alternating current in order to heat batteries at sub-zero temperatures is a method, which is investigated in-depth by an increasing number of study groups. The thesis considers the resonance phenomenon with the intention to use alternating current amplification and battery’s impedance in order to induce power dissipation inside the battery, and in this way increase its temperature. A battery cell is thereby modelled as an impedance transfer function, estimated from electrochemical impedance spectroscopy measurements, which are taken for a LiNi3/Mn3/Co3/O2 cell. Note that at 1kHz and room temperature (20◦ C), the ohmic resistance of the selected cell amounts to only 0.76mΩ. Five resonant circuits are investigated and one of them is selected for further investigation, and as a basis for a filter design. The chosen resonant circuit lead to an LCL filter with current magnification. The experimental setup used for conducting practical experiments, offers the possibility of operating the voltage source converter both as a Full-bridge and as a Half-bridge, with and without current control. For each possible configuration, an LCL filter and a current controller are designed, taking into account the corresponding limitations in frequency, current and controller voltage. The filter design is based on a multiobjective optimization method used to determine filter components that yield the highest gain value for every configuration. The method minimizes two objective functions in order to find an optimal solution. The first objective is the reversed absolute value of the gain, whereas the second one is the absolute impedance of the circuit, consisting of the filter and battery cells. The gain is thereby defined as the ratio between the induced cell current and the current entering the circuit. The obtained results of the proposed method are experimentally validated. Depending on how the filters were physically designed and taking into account the corresponding voltage source converter configuration, gains of 16 were experimentally achieved. Finally, the three investigated configurations are compared against the reference case (Half-bridge voltage source converter with current control and a single inductor) regarding their power efficiencies. The power measurements showed that despite high obtained gains, the overall filter power losses remained approximately in the same range, compared to the power losses of the reference case. This is due to the fact that stray resistances of the designed LCL filters easily reached values of around 40mΩ, which hindered an efficient power transfer with the chosen voltage source converter and the used battery cells. This further indicates the importance of building filters with low stray resistances and in this thesis, it represents a primary source of improvement.