Lithium-ion battery state monitoring method via frequency excitation
| dc.contributor.advisor | Kowal, Julia | |
| dc.contributor.author | Kim, Jonghyeon | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Kowal, Julia | |
| dc.contributor.referee | Park, Sangyoung | |
| dc.contributor.referee | Lee, Young Hyun | |
| dc.date.accepted | 2022-04-06 | |
| dc.date.accessioned | 2022-05-20T11:33:55Z | |
| dc.date.available | 2022-05-20T11:33:55Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | As rapid industrialization and the use of fossil fuel resources accelerate climate change, such as greenhouse effects, interest in eco-friendly energy is increasing worldwide. Especially, as interest in eco-friendly vehicles and efforts to reduce carbon emission from vehicles with internal combustion engines increase, the demand for secondary batteries is increasing, and among them, lithium-ion batteries (LIBs) are leading the innovation. However, LIBs with high energy have high safety risks as well, requiring improved diagnosis and management technology. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a non-invasive analysis technique that determines the dynamic behavior of an electrochemical system and is used to characterize battery behavior with impedance at a wide frequency range. Therefore, it can be used to measure parameters of battery cells in which the model structure is determined by cell state of charge (SoC), state of health (SoH), temperature, internal defects, etc. However, typical EIS analyzers require high performance applicable to general-purpose measurement, thus they may be an excessive investment to be used in battery monitoring systems and are especially large in mass and volume to be applied to portable devices. Furthermore, they require a long time to measure impedance in a wide frequency range. This thesis deals with LIB state monitoring methods using frequency excitation. By using the proposed method, the cell SoH and SoC can be monitored by impedance, and an over-discharged cell in a battery pack can be detected by frequency distortion rate. Unlike other studies on battery impedance, the state of the battery is monitored during operation. By applying multi-sine frequency signals, SoH and SoC of operating cells are estimated at the same time and the time required to measure cell impedance at a wide range of frequencies is reduced. A MATLAB/Simulink model is developed as well to optimize and simulate LIB cell state monitoring algorithms using frequency excitation. The battery cell simulation model saves experimental time as well as cost for experimental devices. This is because simulation results are quickly displayed by simply entering parameters representing the state of the battery cell. Considering the effect of cell SoC, SoH, temperature and C-rate, the proposed model successfully predicts the continuous cell voltage, impedance and distortion rate when multiple frequency signals are applied to DC bias of cell while being discharged. | en |
| dc.description.abstract | Da die rasante Industrialisierung und Nutzung fossiler Brennstoffe den Klimawandel wie den Treibhauseffekt beschleunigen, steigt weltweit das Interesse an umweltfreundlicher Energie. Insbesondere mit dem steigenden Interesse an umweltfreundlichen Fahrzeugen und den Bemühungen, die CO2-Emissionen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu reduzieren, steigt die Nachfrage nach Sekundärbatterien, und unter diesen sind Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) führend bei der Innovation. Dennoch können LIBs mit hohen Energien kritische Sicherheitsprobleme aufwerfen, die verbesserte Diagnosetechniken erfordern. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine nicht-invasive Analysetechnik zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens elektrochemischer Systeme und wird genutzt, um das Batterieverhalten durch Impedanz über einen weiten Frequenzbereich zu charakterisieren. Daher kann es verwendet werden, um die Parameter einer Batteriezelle zu messen, deren Modellstruktur durch Ladezustand (SoC), Gesundheitszustand (SoH), Zelltemperatur, interne Defekte usw. bestimmt wird. Nichtsdestotrotz sind typische EIS-Analysatoren auf Allzweckmessungen angepasst und haben deshalb einen hohen Leistungsumfang, sodass sie für den Einsatz in Batterieüberwachungssystemen eine Überinvestition darstellen können, und insbesondere sind Masse und Volumen zu groß, um auf tragbare Geräte angewendet zu werden. Außerdem benötigen sie eine lange Zeit für die Impedanzmessung über einen weiten Frequenzbereich. Diese Dissertation befasst sich mit der Überwachung des Zustands von LIBs durch Frequenzanregung. Die Batteriezellenimpedanz wird gemessen, um SoH und SoC zu überwachen, und die Frequenzverzerrungsrate des Batteriepacks wird gemessen, um eine überladene Zelle zu erkennen. Unter Verwendung von Multi-Sinus-Frequenzsignalen werden SoH und SoC der Betriebszelle gleichzeitig geschätzt, wodurch die Zeit für die Messung der Zellimpedanz über einen weiten Frequenzbereich reduziert wird. Außerdem wurde ein MATLAB/Simulink-Modell entwickelt, das zur Optimierung und Simulation von frequenzbasierten Algorithmen zur Überwachung des Batteriezustands verwendet werden kann. Das Batteriezellen-Simulationsmodell spart nicht nur Zeit für das Experimentieren, sondern auch die Kosten für den Versuchsaufbau, da die Simulationsergebnisse durch einfache Eingabe von Parametern, die den Zustand der Batteriezellen anzeigen, schnell angezeigt werden. Die Auswirkungen von SoC, SoH, Temperatur und C-Rate der LIB-Zelle werden berücksichtigt, und das vorgeschlagene Modell gibt erfolgreich eine kontinuierliche Spannung, Impedanz und Frequenzverzerrungsrate aus, wenn mehrere Frequenzsignale während der Batterieentladung angelegt werden. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16760 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15538 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.relation.issupplementedby | 10.14279/depositonce-14898 | |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten | de |
| dc.subject.other | Li-ion | en |
| dc.subject.other | battery | en |
| dc.subject.other | state | en |
| dc.subject.other | SOH | en |
| dc.subject.other | SOC | en |
| dc.subject.other | monitoring | en |
| dc.subject.other | MATLAB | en |
| dc.subject.other | simulink | en |
| dc.subject.other | model | en |
| dc.subject.other | THD | en |
| dc.subject.other | over-discharge | en |
| dc.subject.other | Lithium-Ionen | de |
| dc.subject.other | Batterie | de |
| dc.subject.other | Zustand | de |
| dc.subject.other | Modell | de |
| dc.subject.other | Ãœberentladung | de |
| dc.title | Lithium-ion battery state monitoring method via frequency excitation | en |
| dc.title.subtitle | verification in experiments and simulations | en |
| dc.title.translated | Verfahren zur Zustandsüberwachung von Lithium-Ionen-Batterien via Frequenzanregung | de |
| dc.title.translatedsubtitle | Verifizierung in Experimenten und Simulationen | en |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Energie- und Automatisierungstechnik::FG Elektrische Energiespeichertechnik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik | de |
| tub.affiliation.group | FG Elektrische Energiespeichertechnik | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Energie- und Automatisierungstechnik | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |