Analyzing the temperature dynamics of Li-ion batteries

Abstract

Bilindustrien vokser kontinuerlig i størrelse og kompleksitet. NTNU sitt «formelbilteam, Revolve», konkurrerer med elektriske kjøretøy i både statiske og dynamiske tester. Et viktig aspekt av den dynamiske testen er batteritemperaturgrensen som er satt til 60°C. Å overskride denne verdien resulterer i diskvalifikasjon. Konkurransen har stort fokus på innovative måter å bygge elbiler på og i prosessen utdanne fremtidige ingeniører. Revolve leverte to typer batterier som skulle testes. Batteriene var forskjellige i kapasitet og design, men var bygget av de samme LCO/G-L-materialene. Målet med denne oppgaven er å analysere temperaturdynamikken til Li-ion-batterier.

Testingen ble utført i to trinn; aldring og karakterisering. Testen startet med 15 normale lade-/utladningssykluser. Et quasi-OCV med HPPC-pulser ble deretter utført for å avdekke viktige batteriekarakteristikker. Alle syklusene ble kjørt mellom 90-10\% SoC. Testingen gjorde det mulig å analysere den interne motstanden, entropien, generert varme og temperatur på batteriene.

Testing av batterier er en omfattende oppgave og krever teoretisk grunnlag om batterier for å trekke ut nødvendige data. Teoridelen av denne oppgaven presenterer grunnleggende prinsipper for Li-ion-batterier, viktige egenskaper og effekten ulike komponenter har på disse egenskapene. Varmegenerasjon beskrives også for å forstå de ulike bidragene til temperaturdynamikken. Gjennom teori og metodikk forklares prinsippene for testing. Dette inkluderer også hvordan egenskaper finnes ved å inspisere prøvedata og ulike målemetoder.

Analysen avslørte at til tross for bruk av lignende anode- og katodematerialer, opplever batteriene svært forskjellig temperatur respons. Gjennom ulike grafer og tabeller forklarer resultatene hvorfor dette er tilfelle. Den største påvirkeren til de ulike adferdene er entropien. Da endringen i entropi avgjør når batteriet varmes opp eller kjøles ned, påvirker det den totale genererte varmen og dermed temperaturen. Den interne motstanden viste seg å være høyere for Grepow. Den høyere motstanden og den større kapasiteten betyr at de irreversible varmebidragene var betydelig større for Grepow enn Melasta. Oppgaven konkluderte med at Grepow er lengst fra å nå grensen på 60°C. Til tross for dette virker Melasta mer egnet for Revolves applikasjon. Et faseendringsmateriale brukes vanligvis til å håndtere varmegenerasjon, noe som betyr at Melastas høyere termiske stabilitet og lavere interne motstand kan gi mer forutsigbare resultater og en lengre batterilevetid.

The industry of electric vehicles is continuously growing in size and complexity. NTNU's formula student team, Revolve, compete with electric vehicles in static and dynamic tests. An important figure from the dynamic test is the battery temperature limitation set at 60\degree C. Exceeding this limit results in disqualification. The competition aims to discover new and innovative ways to build EVs and in the process educate the engineers of the future. Revolve supplied two types of batteries that were to be tested. The batteries were different in capacity and design but were both built from an LCO cathode and graphite anode. The objective of the thesis is to analyze the temperature dynamics of Li-ion batteries.

The testing was performed in two steps; ageing and characterization. The test began with 15 normal charge/discharge cycles. A quasi-OCV with HPPC pulses was then performed to reveal important battery characteristics. All cycles were run between 90-10\% SoC. The testing made it possible to analyze the internal resistance, entropy, generated heat and temperature of the batteries.

Testing batteries is a comprehensive task and requires in-depth knowledge about batteries to extract the necessary data. The theory section of this thesis features the fundamentals of Li-ion batteries, important characteristics and the effect that various components have on those characteristics. Heat generation is also described to understand the different contributions to temperature dynamics. Throughout theory and methodology, the principles of testing are explained. This also includes how characteristics are found by inspecting sampled values and different measurement methods.

The analysis revealed that despite the use of similar anode and cathode materials, the batteries experience significantly different temperature behaviours. Through various graphs and tables, the results explain why this is. The biggest contributor to the different behaviours is the entropy. As the change in entropy decides when the battery heats or cools, it affects the total generated heat and thus the temperature. Internal resistance was proven to be higher for Grepow. The higher resistance and the higher capacity meant that the irreversible heat contributions were significantly bigger for Grepow than Melasta. The thesis concluded that Grepow is furthest from reaching the limitations of 60\degree C, thus appearing as the recommended battery. Despite this, Melasta could be more suitable for Revolve's application. A phase change material is commonly used for managing heat generation, which means that Melasta's higher thermal stability and lower internal resistance could provide more predictable results and a longer battery lifespan.