Batterisensorer – en översikt

Innovation och utveckling av nya batterier är en väg framåt för elektrifieringen. Förutom den pågående utvecklingen och forskningen om nya och bättre kemi, kan tillämpningen av sensorer och mättekniker på battericellsnivå främja elektrifieringsprocessen för säkrare batterier med lång livslängd. På packnivå försöker vi räkna ut laddningsstatus, men även hälsotillståndet. Alla elfordon är idag utrustade med sensorer som mäter spänning, ström och temperatur, men ingen av dessa kan i detalj följa vad som händer inne i battericellen. Därför blir styralgoritmerna det bästa vi kan göra utan att veta i detalj vad som händer och kan inte alltid följa dynamiken i cellen.

Inom Battery 2030+ pågår flera initiativ för att få fram nya innovativa sensorlösningar. omEV försöker sammanfatta läget några sensorlösningar.

Tryckta grafénbaserade referenselektroder

Oavsett vilket batterikoncept man betraktar, styrs prestandan av egenskaper och processer som sker inne i cellen och då många gånger vad som sker i gränsskiktet mellan olika komponenter inne i cellen. Ofta är dessa processer temperaturdrivna reaktioner och med oförutsägbar kinetik och övervakning av temperatur är avgörande för att förbättra batteriets livslängd och räckvidd.

SENSIBAT har som mål att mer tillförlitligt i realtid mäta olika tillstånd inne i battericellen genom att mäta temperatur, tryck, ledningsförmåga och impedans. Impedansen ska kunna separeras så att individuella data för anod, katod och elektrolyt kan erhållas. Förbättrade och mer tillförlitliga styralgoritmer är målet genom en djupare förståelse för hur, var och när olika degraderingsförlopp sker, samt att tidigt kunna detektera fel i individuella celler.

Projektet jobbar med NMC-celler och vill förbättra och förutspå användningen av batteriet (inkl. snabbladdning) för att optimera räckvidden per laddning i olika klimat- och vädersituationer. Även om det är NMC-celler som används i projektet tror man att sensorlösningen kan användas i andra typer av Li-jonceller.

Sensorlösningen bygger på tryckta referenselektroder som kan mäta impedansen under användning av cellen, men även att mäta ledningsförmågan hos elektrolyten samtidigt som potentialen hos anoden och katoden mäts. Sensorn trycks på ytan av separatorn och olika geometrier utvärderas. Materialen för referenselektroden utvärderas med olika grafénbaserade material.

Lab-on-a-cell

Nästa projekt är INSTABAT som utvecklar en plattform för att inkorporera flera sensorsignaler för att samtidigt kunna mäta flera olika egenskaper. De kallar sitt koncept för ’lab-on-a-cell’ då sensorsignalerna ska kopplas till olika degraderingsprocesser inne i cellen. Mer eller mindre i realtid kommer BMS:en att få noggrann information om laddningstillståndet (SOC), men även hälsotillståndet (SOH), effektmöjligheter och om säkerhetsnivån. Fördelarna med en förbättrad noggrannhet kommer projektet att demonstrera i två olika driftsituationer: snabbladdning och användning under extrema förhållanden.

Sensorplattformen kommer att integreras in i en cell för att under drift kunna mäta temperatur och temperaturfördelningen inne i cellen, och samtidigt mäta fördelningen och koncentrationen av litium i cellen. Sensorerna ger även information om impedansen i cellen och polarisationen. Tryckförändringar kommer även det att kunna detekteras i kombination av att kunna detektera eventuell CO2-utveckling.

Plattformen bygger på att fyra fiberoptiska sensorer med luminescensprober (inkl. Bragg grating) bäddas in i cellen ihop med en referenselektrod och en foto-akustiska gassensor. Plattformen innehåller även två ’virtuella’ sensorer (’state observers’) som är baserade på elektrokemiska och termiska modeller och korrelerar de olika sensorsignalerna med vad som sker inne i cellen.

Akustisk, mekanisk och ultraljudsmätning

Den tredje sensorlösningen som idag ryms inom Battery 2030+ bygger på en akustisk, mekanisk ultraljudmätning inne i cellen (SPARTACUS) . Snabbhet och låg kostnad är ledord för projektet där en multifunktionell sensorlösning i kombination med avancerade BMS-funktioner ska utvecklas. Överordnade mål är säkerhet, förbättrad laddning och maximerad livslängd. Data kommer även att ligga till grund för en bättre kvalitativ bedömning av batteristatusen inför andrahandsanvändning.

Projektet fokuserar på mekaniska och akustiska sensorer kompletterade med temperatursensorer och elektrokemisk impedansspektroskopi. Sensordata matas till ett avancerat BMS, där signalerna jämförs med batteridatamodeller för att i realtid få en gedigen analys av batteriets tillstånd. BMS:en kommer jobba ihop med ’cellmanagement sytstem’ (CMS) där data processas och projektet menar att inget extra kablage behövs. Spartacus sensorer är externa, de fästs utanpå batteriet.

Egna kommentarer

Tre forskningsprojekt som försöker lösa det vi alla egentligen vill veta när vi använder ett batteri – hur långt kan jag köra just nu och hur många år håller batteriet. Det som är viktigt att komma ihåg är att dessa sensorer som man placerar inuti cellen troligtvis inte påverkar cellprestandan negativt. Det inte helt klarlagt att interna sensorer inte påverkar batteriets prestanda, forskning pågår.

En bra genomgång av mekaniska och kemiska sensorer för Li-jonbatterier finns här.