Temperature measurement in lithium-ion batteries using FBG

Abstract

I takt med at bruksområdene og omfanget av litium-ion batterier øker, er det et økende behov for overvåkning og regulering av batterienes tilstand. Temperatur påvirker batteriets ytelse, sikkerhet og levetid i stor grad og i alle bruksområder. Temperaturmåling og regulering er derfor essensielt for å muliggjøre trygg og effektiv bruk av batteriet. I dag gjøres temperaturmålinger som oftest på batteriets overflate, hvilket medfører unøyaktighet i målingene sammenlignet med den indre temperaturen på batteriet. Innvendig temperaturmåling er derfor et viktig bidrag til å forstå de termiske egenskapene til litium-ion batterier. Det innvendige miljøet i et batteri er preget av kjemiske prosesser og elektromagnetisk interferens, som kan vanskeliggjøre interne temperaturmålinger. Fiber bragg grating (FBG) sensorer muliggjør likevel interne målinger ved at de er kjemisk resistente, og upåvirket av elektromagnetisk interferens.

I denne oppgaven blir FBG sensorer implementert i kommersielle litium-ion batterier for å måle batteriets indre temperatur i bruk. Batteriene blir karakterisert før og etter sensor implementering for å evaluere sensorenes påvirkning på batteriets ytelse. Batteriene gjennomgår også en aldringsprosess for å undersøke endringer i termodynamiske egenskaper og degenereringsprosessen til de instrumenterte batteriene. Temperaturtestene avdekket betydelig forskjell i intern og ekstern temperatur, på det meste 14.6°C på slutten av en utladning i et aldret batteri. Den høye motstanden i batteriene som følge av sensorimplementering resulterte i betydelig varmeproduksjon som økte i takt med den påsatte strømmengden. Temperaturmålingene gav et detaljert bilde av temperaturutviklingen i batteriene under bruk, hvilket viser viktigheten av indre temperaturmålinger i litium-ion batterier.

As lithium-ion batteries (LIBs) and their applications continue to grow, there is an in- creasing need to control and monitor the internal state of the battery. Temperature is highly a↵ecting the performance, safety and longevity of LIBs in all applications. Thermal manage- ment of the battery is therefore key to enable safe and optimal operation of the battery in use. Currently, temperature measurements are typically done on the battery surface, which do not reflect the true internal state of the battery. Therefore, internal temperature meas- urements are valuable to improve knowledge on the thermal characteristics of lithium-ion batteries. However, the internal environment of a LIB is chemically harsh and subject to electromagnetic interference, which make internal measurements dicult to obtain. Fiber bragg grating (FBG) sensors are however chemically inert and resistant to electromagnetic interference, which enables them to accurately monitor the internal state of the battery. In this thesis, commercial LIBs are implemented with FBG sensors to obtain internal temperature measurements of the batteries in use. The batteries are characterised before and after sensor implementation to evaluate the impact of the implementation process on the battery performance. In addition, the batteries are put through a cycle aging schedule to reveal changes in the thermodynamic properties and aging characteristics of the instrumented batteries. The temperature tests revealed large temperature di↵erences between internal and external temperature measurements, peaking at 14.6°C at the end of discharge in an aged cell. The elevated internal resistances of the batteries after sensor implementation gave a significant temperature response, which increased at higher currents. The temperature tests gave a detailed view on the temperature development in a LIB in use, emphasising the importance of internal temperature measurements.