Nyckelord: 5-7 st Elfordon, litiumjonbatteri, sensorteknik, tillståndsestimering, SoH, SoC, temperatur

Transkript

1 SLUTRAPPORT 1 (8) Datum Dnr Projektnr Energimyndighetens titel på projektet svenska Batterisensor för tillståndsestimering Energimyndighetens titel på projektet engelska Battery sensor for state estimation Universitet/högskola/företag Viktoria Swedish ICT AB Adress Lindholmspiren 3A Göteborg Namn på projektledare Joakim Nyman Namn på ev övriga projektdeltagare Christian Jonasson, Acreo Swedish ICT AB Fredrik Ahrentorp, Acreo Swedish ICT AB Helena Berg, Libergreen AB Maria Wesselmark, Intertek Semko AB Magnus Wennerbeck, Setek Elektronik AB Avdelning/institution Electromobility Nyckelord: 5-7 st Elfordon, litiumjonbatteri, sensorteknik, tillståndsestimering, SoH, SoC, temperatur Förord Projektet finansierades av Energimyndigheten genom Batterifondsprogrammet samt av projektparterna Intertek Semko AB, Libergreen AB och SETEK Elektronik AB. I referensgruppen fanns representanter från AB Volvo, ABB AB samt Specificate Innovation AB. EM2513 W-4.0, Box Eskilstuna Besöksadress Kungsgatan 43 Telefon Telefax registrator@energimyndigheten.se Org.nr

2 2 (8) Innehållsförteckning Förord... 1 Innehållsförteckning... 2 Sammanfattning... 2 Summary... 3 Inledning/Bakgrund... 4 Genomförande... 6 Resultat... 6 Diskussion... 7 Referenser, källor... 8 Bilagor... 8 Sammanfattning Avsikten med projektet var att påvisa att en ny, enkel extern sensor kan ge ett signifikant tillskott av information om de testade battericellernas tillstånd jämfört med vad konventionell mätning av enbart cellspänning, ström och temperatur kan ge. Det övergripande syftet med detta är att bidra till säkrare och mer effektiv användning av litiumjonbatterier i framförallt fordonstillämpningar genom mer detaljerad och rättvisande realtidsinformation om battericellernas tillstånd och status. Fokus i projektet var på andra fenomen än laddningsgrad (State of Charge, SoC), främst åldringsgrad och hälsa (State of Health, SoH). För detta ändamål åldrades litium-jonceller av fordonstyp i laboratorium och mätdata för olika cellåldrar samlades in vid fordonstypiska karaktäriseringstester med olika laddningsnivåer, strömstyrkor och temperaturer. Sensorsignalens kvalitet och informationsinnehåll med avseende på cellålder analyserades sedan och jämfördes med cellernas spänning, ström och temperatur. Resultaten visar att det studerade sensorkonceptet kan detektera åldern på de testade cellerna genom en förändring i signalstyrka som korrelerar linjärt

3 3 (8) med cellernas återstående kapacitet. Denna typ av information existerar inte i konventionella mätningar. Vidare så uppvisar inte sensorsignalen spänningens typiska och problematiska polariseringskaraktäristik. Sensorkonceptet kan därmed visa sig utgöra en informationskälla som är oberoende av olika strömstyrkor under användning av batteriet. Utöver sambandet med SoH så korrelerar sensorsignalen också med SoC och har ett temperaturberoende. Det finns goda förhoppningar om att kunna använda temperaturberoendet till en fristående nyttosignal så att andra yttemperatursensorer inte behövs. Det finns med andra ord potential att utveckla konceptet till att erbjuda strömoberoende SoC- och SoH-detektion samt temperaturmätning i en och samma sensor. Fortsatt arbete kommer kretsa kring utökad förståelse för sensorns växelverkan med olika battericeller samt fortsatt utveckling av sensorkonceptet och dess tillämpning. Eftersom sensorstödd batteritillståndsskattning är ett nytt fenomen är det också önskvärt med bredare studier och diskussioner kring olika aspekter av detta nya fenomen. Exempel på sådana aspekter är vad som är förmånligt att detektera och varför, olika sensortekniker samt vilka möjligheter som öppnar sig när ny information om battericellers status och tillstånd blir tillgänglig. Summary The intent of the project was to show that a new, simple external sensor can provide a significant addition in information compared to what conventional measurements of cell voltage, current and temperature can give. The overall purpose of this is to contribute to safer and more efficient use of lithium-ion batteries in primarily electric vehicles by more detailed and correct real-time information about the state and status of the battery cells. The project was focused on other phenomena than State of Charge (SoC), primarily aging and State of Health (SoH). To this end, vehicular lithium-ion cells were aged in laboratory and measurement data for different cell ages were collected using vehicle-type characterization tests at different charge states, current levels and temperatures. The quality and information content of the sensor signal with respect to cell age were then analyzed and compared to the voltage, current and temperature of the cells.

4 4 (8) The results show that the studied sensor concept can detect the age of the tested cells by a change in amplitude that correlates linearly with remaining cell capacity. This type of information does not exist in conventional measurements. Furthermore, the sensor signal does not exhibit the typical and problematic polarization characteristic of the cell voltage. The sensor may thus turn out to be an information source independent of different current levels during use of the battery. In addition to the relationship with SoH, the sensor signal correlates with SoC and has a temperature dependence. There are good chances that this temperature dependence can be used for surface temperature measurement so that separate temperature sensors are not needed. In other words there is potential to develop the concept into an offering of current-independent SoCand SoH-detection and temperature measurement combined in one sensor. Future work will revolve around added understanding of the interaction between the sensor and different battery cells and continued development of the sensor concept and its application. Since sensor-aided battery state estimation is a new phenomenon, wider studies and discussions around different aspects of this new phenomenon are also benefitial. Examples of such aspects are; which properties are favorable to detect and why, different sensor technologies and new possibilities that are enabled when new information about battery state and status is available. Inledning/Bakgrund Att skatta batteriets laddningstillstånd (SoC - State of Charge ) är en av huvuduppgifterna i ett batteriövervakningssystem. Noggrann skattning av battericellernas absoluta laddningsgrad krävs för att förhindra över- och underladdning, uppskatta ålder eller hälsotillstånd (SoH State of Health ) genom batteriets gradvisa kapacitetsminskning och också för att utnyttja kapaciteten hos batteriet fullt ut. Då en battericell är i vila och jämvikt så korrelerar cellens spänning i bästa fall med laddningsgraden, men under drift polariseras cellen och uppvisar en annan spänning. Det mest rättframma sättet att skatta laddningstillståndet under drift är därför att mäta strömmen som tillförs eller dras från batteriet och att genom dödräkning estimera hur mycket laddningsgraden ändrat sig från ett tidigare vilotillstånd. Bland annat på grund av slumpvandringseffekter är dock inte denna metod tillräckligt noggrann. Som komplement används därför vanligtvis en dynamisk modell över batterispänningens respons vid i- och urladdning (batterispänningens

5 5 (8) polariseringskaraktäristik) tillsammans med referenskorrelationen mellan vilospänning och laddningstillstånd. I de mest sofistikerade estimeringsmetoderna kombineras all information för att nå bästa möjliga skattning (exempelvis neurala nätverk, algoritmer baserade på fuzzy logic, varianter av Kalmanfilter, osv.). Det visar sig svårt att idag nå hög noggrannhet även för de mest sofistikerade algoritmerna [1,2]. Detta beror på att otillräcklig mätinformation och modellosäkerheter ackumuleras och ger upphov till osäkerheter i skattade storheter, samt att referenskorrelationen mellan vilospänning och laddningsgrad är svag för vissa cellkemier och dessutom inte statisk med avseende på bland annat batteriets ålder. Ytterligare en grundläggande begränsning är att informationen i cellspänningen utgör ett medelvärde av hela cellens tillstånd, medan laddningsgrad och polarisering såväl som åldringseffekter kan ha olika magnitud i olika delar av cellen. Det är attraktivt att tillföra ytterligare information till den som redan är tillgänglig för estimeringsmetoderna. Ju mer information som finns tillgänglig, desto säkrare kan skattningen bli. Sensorkonceptet som undersöks för SoH-detektion i det här projektet bygger på en enkel sensor som monteras utanpå cellen utan kontakt med elektroderna och detekterar andra förändringar vid varierande batteritillstånd än de som fångas av cellspänningen. I en litiumjoncell ändrar sig exempelvis materialsammansättningen i elektroderna vid olika laddningsgrad och slitagenivå. Med nya sensorer kan andra storheter än spänning, ström och temperatur mätas, och extra frihetsgrader kan fås i dels antalet sensorer som används och dels var sensorerna placeras på cellen, vilket öppnar upp för att känna av lokala variationer och därmed hämta ytterligare information om cellens tillstånd. I en tidigare förstudie genomfördes preliminära tester på fordonsbattericeller, som visade att det med en ny sensor, monterad på utsidan av battericellen, går att få en signal som innehåller information om laddningsgraden i cellen. I det nu genomförda projektet har alltså studierna utökats till att undersöka detektion av andra fenomen än SoC, särskilt cellålder och hälsa (SoH). Projektet genomfördes under perioden och finansierades av Energimyndigheten genom Batterifondsprogrammet samt av projektparterna Intertek Semko AB, AB Libergreen och Setek Elektronik AB. Huvudman i projektet var forskningsinstitutet Viktoria Swedish ICT AB som också tagit fram sensorkonceptet tillsammans med forskningsinstitutet Acreo Swedish ICT AB, båda del av RISE AB.

6 6 (8) Genomförande Deltagare i projektet var Viktoria Swedish ICT AB, Acreo Swedish ICT AB, Intertek Semko AB, AB Libergreen samt Setek Elektronik AB. I referensgruppen fanns representanter från AB Volvo, ABB AB och Specificate Innovation AB. Arbetet fördelades över 6 huvudsakliga arbetspaket enligt förteckningen nedan. Den projektpart som ledde respektive arbetspaket är angiven inom parantes. AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 Koordination (Viktoria) Specifikation och förutsättningar (Libergreen) Anpassning sensorsystem (Acreo) Funktionstest och datainsamling (Intertek) Bredare identifiering av tillämpningar (Setek) Dataanalys och utvärdering (Viktoria) Battericeller av fordonstyp åldrades i laboratorium från 100% kapacitet (oanvända celler) i steg om ca. 10 procentenheter ner till ca. 70% återstående kapacitet. Mätdata för varje cellålder samlades in genom fordonstypiska karaktäriseringstester vid olika laddningsnivåer, strömstyrkor och temperaturer. Sensorsignalens kvalitet och informationsinnehåll med avseende på cellålder analyserades sedan och jämfördes med cellernas spänning, ström och temperatur. Celler öppnades också och undersöktes före och efter åldring. Inom projektet anpassades och vidareutvecklades även sensorkonceptet och en ny prototyp togs fram i två exemplar och användes i samtliga tester. En mindre utredning om tillämpningar av konceptet genomfördes. Slutligen undersöktes i mindre utsträckning variationer med avseende på cellindivid samt sensorns placering på cellen. Resultat Huvudresultatet av projektet är att det studerade sensorkonceptet kan detektera åldern hos de testade cellerna. Detta genom en förändring i signalstyrka som har ett linjärt samband med cellernas återstående kapacitet. Sensorns signal korrelerar samtidigt med SoC genom en variation av signalstyrka som sker på en annan (mindre) skala än förändringen med avseende på SoH. I tillägg till detta är sensorn känslig för temperatur och i teorin är det rättframt att separera temperaturberoendet så att en och samma sensor kan användas till både SoH- och SoC-detektion samt temperaturmätning. I projektet genomfördes tester som verifierade detta. Slutligen är ett viktigt resultat att sensorn åtminstone vad SoH-

7 7 (8) detektion anbelangar förefaller okänslig för styrkan på strömmen genom cellen, och signalen från sensorn uppvisar inte cellspänningens typiska polariseringskaraktäristik. Diskussion Det linjära sambandet mellan sensorsignal och återstående kapacitet samt signalens okänslighet för strömstyrka är egenskaper som skiljer sig kvalitativt från konventionella mätningar och tyder på hög användbarhet för tillståndsskattning, särskilt skattning av SoH. Projektgruppen betraktar därför projektet som lyckat och anser oss ha påvisat att det studerade sensorkonceptet kan ge signifikant mer information om battericellernas tillstånd än vad enbart konventionell mätning av spänning, ström och temperatur kan ge. Vidare borgar ett separerbart temperaturberoende inte bara för detektion av SoC och SoH som är oberoende av temperatur utan kan också innebära ett mervärde för sensorkonceptet en applikation genom att andra temperatursensorer inte är nödvändiga. Den övergripande nyttan med allt detta är potentialen till mer detaljerad och rättvisande realtidsinformation om litiumjoncellers tillstånd och status vid användning i framförallt elfordon. Litiumjon-teknologi för batterier har genom jämförelsevis högt energiinnehåll och möjligt effektuttag per volym och vikt möjliggjort applikationer som plugin-hybrider och helt batteridrivna fordon, där större mängder elektrisk energi lagras ombord på fordonen. Teknologin är under utveckling, och fortfarande är kostnaden hög och kapaciteten hos batterierna inte tillräcklig för att ge en räckvidd hos rena batterielfordon som är jämförbar med förbränningsmotorfordon och som möter massmarknadskraven. En nackdel med litiumjon-batterier är att de kan råka ut för så kallad thermal runaway om inte egenskaper som laddningsgrad, spänning och effektuttag hålls inom tillåtna och säkra marginaler. Noggrann och kontinuerlig kännedom om batteriernas tillstånd är även avgörande för att under drift kunna utnyttja battericellerna optimalt. Bristande noggrannhet i skattningen av batteriernas tillstånd och status tvingar tillsammans med säkerhetskraven fram onödigt stora marginaler och suboptimalt utnyttjande av batteriernas redan begränsade kapacitet. Detta medför onödigt höga batterikostnader och överflödig systemvolym och vikt, då det för en given prestanda tvingar fram onödigt stora batterisystem. Skattning av batteritillstånd som laddningsgrad, hälsa/åldringsgrad och kapacitet, samt effektreserv, är således av grundläggande betydelse för säker, pålitlig och effektiv användning av litiumjon-batterier i elfordon och även i andra tillämpningar. Tyvärr har det visat sig att nuvarande skattningsmetoder inte är tillräckligt bra [3]. Med tillgång till mer detaljerad och rättvisande information om battericellernas tillstånd och status, till exempel med hjälp av nya sensorer så som den som studerats i det här projektet, kan fordonets batterihanteringssystem säkrare och mer effektivt styra och övervaka battericellerna och hur de används. Riksdagen har en målsättning att nå en fossiloberoende transportsektor till år Att nå detta mål innebär en betydande omställning med många stora utmaningar, varav elektrifiering av fordonsflottan inom alla fordonssegment i

8 8 (8) Sverige är en av de största. En elektrifierad massmarknad av fordon har många positiva konsekvenser, t.ex. minskade utsläpp av växthusgaser, minskade emissioner och minskat oljeberoende. Eftersom detta projekt bidrar till utvecklingen av batterisystemteknik och batteridrivna elfordon, så har det därför bäringar på både energiområdet, riksdagens miljömål och svenskt näringsliv. Det kan tilläggas att elfordon inte är den enda tänkbara applikationen. Som det påpekas i Batterifondsprogrammets beskrivning är det möjligt att stationära tillämpningar kommer bli aktuella för att ge ett andra liv till uttjänta fordonsbatterier, och kan även komma vara drivande för utvecklingen inom området. I takt med utvecklingen av batteriteknik och användningen av elektrokemisk energilagring i större skala, så kommer säkerligen även andra tillämpningar visa sig relevanta i framtiden. Under alla omständigheter kommer behovet i samhället öka av verktyg och metoder för att kalibrera, mäta och diagnosticera battericeller i både applikationerna själva men också i exempelvis laboratorier och utvärderings-, service- eller reparationssammanhang. Forskning och innovation är därför nödvändig på dessa områden, och sensorkonceptet som studeras i detta projekt kan komma att hitta flertalet tillämpningar utöver den vi fokuserar på här. Referenser, källor [1] G. L. Plett, Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery pack, J Power Sources 134, 252 (2004) [2] B. Fridholm, M. Nilsson, T. Wik, Robustness Comparison of Battery State of Charge Observers for Automotive Applications, Proceedings of the 19th IFAC World Congress, 2138 (2014) [3] Lu et al., A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles, J Power Sources 226, 272 (2013) Bilagor Administrativ bilaga Batterisensor för tillståndsestimerong teknisk rapport EJ SPRIDNING