Anwendung optischer Sensoren zur Überwachung von Lithium-Ionen-Batterien
Eine Reduzierung von klimaschädlichen Emissionen kann durch den Ausbau erneuerbarer Energien und den Einsatz von Elektrofahrzeugen erreicht werden. In beiden Anwendungen sind elektrochemische Speicher auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien gegenwärtig von essentieller Bedeutung. Den positiven Eigenschaften der Technologie hinsichtlich der Energiedichte stehen jedoch weiter Nachteile in Form hoher Kosten sowie eines kritischen Sicherheitsverhaltens gegenüber. Eine Lithium-Ionen-Batterie muss daher stets hinsichtlich der Zustandsgrößen Spannung, Temperatur und Strom überwacht werden um unzulässige Betriebsparameter zu verhindern. Im Rahmen der Dissertation wird untersucht, ob die dominierende elektronische Überwachung (BMS) durch optische Sensoren substituiert werden kann. Es wird gezeigt, dass eine engmaschige Temperaturüberwachung einer Fahrzeugbatterie mittels Faser-Bragg-Gittern sinnvoll ist und sich kritische Temperaturen während einer Schnellladung detektieren lassen, die von der elektronischen Überwachung nicht hinreichend abgebildet werden. Eine notwendige Kompensation der optischen Messwerte erfolgt durch thermo-mechanische Faktoren, die erstmals im laufenden Betrieb eines Speichers ermittelt werden können, wodurch sich das individuelle Dehnungsverhalten einer Zelle präziser abbilden lässt. An beschleunigten Alterungsuntersuchungen wird zudem gezeigt, dass die Änderung des Faktors mit der Degradation einer Zelle korreliert. Ferner wird demonstriert, dass mittels optischer Dehnungssensoren eine bevorstehende Zellhavarie detektiert werden kann. Zur Strommessung wird ein optischer Stromsensor entwickelt, dessen Eignung am Beispiel eines Vollzyklus an einem Batteriemodul demonstriert wird. Darüber hinaus wird ein polymeres optisches Sensorkonzept entwickelt, auf Grundlage dessen es zukünftig vorstellbar ist die optische Sensorik in die Polymerfolie einer flexiblen Lithium-Ionen-Batterie zu integrieren. Im Rahmen des Sensorkonzepts wird erstmalig ein Polymer-AWG-Interrogator (pAWG) zur Auswertung sowie ein planares Polymer-Bragg-Gitter (pBG) als Sensor entwickelt und charakterisiert. Das pAWG ermittelt zuverlässig die Bragg-Wellenlänge eines Dehnungssensors über einen Zeitraum von mehreren Wochen mit einer Abweichung von 0, 65 ± 5, 9 pm. Das pBG reagiert auf Änderungen der Temperatur, der Dehnung sowie der relativen Luftfeuchtigkeit. Die Empfindlichkeiten konnten unabhängig voneinander zu −44 pm K (für 43 % r.F.), 0,26 pm m µm und 19 pm % bestimmt werden. Eine vollständige Substitution der elektronischen Überwachung ist zwar gegenwärtig nicht darstellbar, jedoch werden erfolgreich Grundlagen für die Entwicklung eines optoelektronischen Hybrid-BMS gelegt.
A reduction in climate-damaging emissions can be achieved through the expansion of renewable energies and the use of electric vehicles. In both applications, electro-chemical storage systems based on lithium-ion batteries are currently of essential importance. However, the positive characteristics of the technology in terms of energy density continue to be offset by disadvantages in the form of high costs and critical safety behavior. A lithium-ion battery must therefore always be monitored with regard to the state variables voltage, temperature and current in order to prevent inadmissible operating parameters. Within the scope of the dissertation it is investigated whether the dominating electronic monitoring (BMS) can be substituted by optical sensors. It is shown that close-meshed temperature monitoring of a vehicle battery using fiber Bragg gratings is useful and that critical temperatures during fast charging can be detected, which are not adequately mapped by electronic monitoring. A necessary compensation of the optical measured values is provided by thermo-mechanical factors, which can be determined for the first time during operation of a storage device, allowing the individual strain behavior of a cell to be mapped more precisely. Accelerated aging tests are also used to show that the change in the factor correlates with the degradation of a cell. Furthermore, it is demonstrated that optical strain sensors can be used to detect impending cell damage. An optical current sensor is developed for current measurement, and its suitability is demonstrated on a battery module using the example of a full cycle. In addition, a polymer optical sensor concept is being developed, on the basis of which it is conceivable in the future to integrate the optical sensor technology into the polymer film of a flexible lithium-ion battery. Within the sensor concept, a polymer AWG interrogator (pAWG) for evaluation and a planar polymer Bragg grating (pBG) as sensor are developed and characterized for the first time. The pAWG reliably determines the Bragg wavelength of a strain sensor over a period of several weeks with a deviation of 0.65±5.9 pm. The pBG is sensitive to changes in temperature, strain, and relative humidity. Sensitivities could be determined independently to −44 pm K (for 43 % r.H.), 0,26 pm m µm , and 19 pm % . Although a complete substitution of electronic monitoring is not presently feasible, foundations for the development of an optoelectronic hybrid BMS are successfully laid.
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