Feasibility Study on Using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) for Estimating the States of Li-Ion Batteries

Sammanfattning

Det ökande behovet av hållbara transporter ställer krav på säkra batteriteknologier, där litiumjonbatterier (LiB) spelar en central roll i elektrifieringen av transportsektorn. Noggrann mätning av interna batteriparametrar, såsom cellens inre temperatur och laddningstillstånd (State of Charge, SOC), är avgörande för att säkerställa optimal prestanda, säkerhet och livslängd. Traditionellt sker temperaturmätning via sensorer monterade på cellens yta, vilket innebär att endast cellens yttemperatur registreras. Detta utgör en begränsning eftersom termiska händelser, såsom termisk rusning, uppstår inuti cellen, vilket medför en fördröjning mellan den interna temperaturökningen och att den registreras av sensorn. Elektrokemisk impedansspektroskopi (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) erbjuder däremot en icke-invasiv metod som är känslig för interna elektrokemiska och termiska förhållanden, vilket möjliggör en mer representativ och snabbare övervakning av cellens inre tillstånd. Denna studie undersöker impedansbeteendet hos kommersiella prismatiska battericeller under ett brett spektrum av kontrollerade testförhållanden. Två experimentserier genomfördes: en för temperaturuppskattning och en för SOC-uppskattning. I temperaturserien utfördes EIS-mätningar vid 18 distinkta temperaturer (−25 °C till +55 °C) vid tre SOC-nivåer (5 , 50 och 95 %). I SOC-serien utfördes mätningar vid 21 SOC-nivåer, från 0 % till 100 %, vid åtta olika temperaturer. Samtliga mätningar genomfördes med en kalibrerad flerkanalig testuppställning, och datakorrigeringsmetoder tillämpades för att kompensera för hårdvarurelaterade impedansavvikelser. Tre metoder för temperaturuppskattning utvärderades, baserade på olika impedanskomponenter: den reella delen (𝑍𝑟𝑒), den negativa imaginära delen (−𝑍𝑖𝑚) samt den negativa fasvinkeln (−𝜙). Varje metod modellerades med en Arrhenius-liknande eller linjär funktion, och modellerna anpassades till mätdata via icke-linjär regressionsanalys. Noggrannhet och robusthet gentemot variationer i SOC kvantifierades. Bland metoderna uppvisade −𝑍𝑖𝑚 vid en enskild medel-hög frekvens (500 Hz) den bästa prestandan, med en noggrannhet på ±5,1℃ och en påverkan av laddningstillståndet (SOC) på ±4,6℃. Validering mot oberoende datamängder, inklusive åldrade celler och körcykeltest, visar att modellen har potential att även inkludera state of health (SOH), även om detta inte implementerats inom ramen för denna studie. För uppskattning av SOC användes ekvivalenta kretsmodeller (Equivalent Circuit Models, ECM), anpassade till impedansspektra framtagna i mjukvaran RelaxIS. Impedansdata för alla SOC-nivåer vid varje temperatur anpassades till en gemensam krets för att möjliggöra extraktion av kretsparametrar. Inga tydliga trender I dessa parametrar relaterade till SOC kunde dock identifieras. Detta förklaras med avvikelser som uppstod vid sammanslagning av korrigerad högfrekvensdata och icke-korrigerad lågfrekvensdata, samt brus från mätkanalerna. Sammantaget visar resultaten att temperaturuppskattning med EIS har potential att utvecklas vidare, inklusive integreringen av ytterligare parametrar såsom SOH, för att möjliggöra tillämpning i ett bredare spektrum av driftförhållanden. Däremot präglas SOC-uppskattningen av flera begränsningar som måste hanteras innan tillförlitliga slutsatser kan dras om metodens användbarhet.