Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

Kulutuselektroniikan akkujen tekniset ominaisuudet ja markkinaosuudet 2015

Työssä tutkittiin kirjallisuustyönä akkuteknologian nykytilaa ja markkinoita kulutuselektroniikan osalta. Työssä tehtiin myös katsaus potentiaalisiin tulevaisuuden akkuteknologioihin. Työssä havaittiin, että kulutuselektroniikassa ainoat suuresti käytetyt akkutyypit ovat nikkelimetallihybridi- (NiMH) ja litiumioniakut (Li-ion). Tärkeimpänä ominaisuutena kulutuselektroniikassa akuilla yleensä pidetään kapasiteettia, jossa Li-ion akut ovat selvästi parempia jopa kaksinkertaisen energiatiheyden takia. Li-ion akuilla voidaan saavuttaa myös moninkertainen käyttöikä lataussykleinä ja moninkertainen purkausvirta, riippuen käytetystä katodimateriaalista. NiMH akuilla etuna on lähinnä halvempi hinta ja parempi turvallisuus. Toisaalta myös pieni jännite voidaan laskea hyväksi puoleksi, koska NiMH akuilla voidaan korvata kertakäyttöisiä alkaliparistoja. Vuonna 2012 Li-ion akkuja myytiin kapasiteetissa mitattuna jopa kahdeksan kertaa enemmän kuin NiMH akkuja ja myyntimäärien ennustetaan myös kasvavan tulevaisuudessa. Liion akkujen myyntimääristä suurin osa oli kulutuselektroniikan käyttökohteisiin ja jopa kaksi kolmasosaa oli kannettavien tietokoneiden ja kännyköiden akkuja. Uusia akkuteknologioita ja Li-ion akkujen parannuksia on paljon kehitteillä, mutta suurimman potentiaalin ja myös suuret ongelmat kaupallistumiseen omaa litium-ilma akut. Lyhyemmällä aikavälillä potentiaalisia teknologioita ovat litium-rikki akut, sekä nykyisiin Li-ion akkuihin kehitteillä olevat anodimateriaalit kuten esim. pii ja alumiini/titaani, joiden ongelmiin on löydetty ratkaisuja nanoteknologiasta.

Akkujen ja superkondensaattorien yhteiskäyttö energiavarastoina ja niiden verkkoon liittäminen ajoneuvoissa

Ajoneuvojen tiukentuneet päästörajoitukset, sekä ajoneuvojen kokonaishyötysuhteen parantamisen tarve ohjaavat ajoneuvovalmistajia kehittämään uusia ratkaisuja. Energiavarastojen käyttö ajoneuvoissa on yleistynyt ja niiden käytöllä voidaan saada huomattava energiasäästö. Tässä kandidaatintyössä on esitelty erilaisia energiavarastoja ja niiden verkkoon liittämistä. Pääpaino työssä on akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkennässä. Energiavarastot pyritään kytkemään mahdollisimman vähällä tehoelektroniikalla verkkoon. Esimerkkitapaukseksi on otettu litium-ioni akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkentä vaihtojännitteeseen pelkällä invertterillä.

Battery Cell Modeling for Battery Management System

Usage of batteries as energy storage is emerging in automotive and mobile working machine applications in future. When battery systems become larger, battery management becomes an essential part of the application concerning fault situations of the battery and safety of the user. A properly designed battery management system extends one charge cycle of battery pack and the whole life time of the battery pack. In this thesis main objectives and principles of BMS are studied and first order Thevenin’s model of the lithium-titanate battery cell is built based on laboratory measurements. The battery cell model is then verified by comparing the battery cell model and the actual battery cell and its suitability for use in BMS is studied.

Carbon Nanotubes as Material for Supercapacitor Electrodes

Electrochemical double-layer supercapacitors have an intermediate position between rechargeable batteries, which can store high amounts of energy, and dielectric capacitors, which have high output power. Supercapacitors are widely suggested to be used in automobiles (recuperation during braking, facilitate engine starting, electric stabilization of the system), industry (forklifts, elevators), hybrid off-road machinery and also in consumer electronics. Supercapacitor electrodes require highly porous material. Typically, activated carbon is used. Specific surface area of activated carbon is approximately 1000 m2 per gram. Carbon nanotubes represent one of prospective materials. According to numerous studies this material allows to improve the properties of supercapacitors. The task of this Master‘s Thesis was to test multiwalled carbon nanotubes and become confident with the testing methods.

Litium-polymeeri- ja litium-rautafosfaattiakkujen käyttö kannettavassa audiolaitteessa

Akkuteknologia on kehittynyt viime vuosina erityyppisten litium-ioniakkujen hallitessa markkinoita. Uutta teknologiaa kaupallisissa litium-pohjaisissa akuissa edustavat litium-polymeeri- ja litium-rautafosfaattiakut. Työn tarkoituksena oli selvittää soveltuvatko litium-polymeeri- ja litium-rautafosfaattiakut kannettavaan audiolaitteeseen ja verrata näitä Ni-Cd- ja Ni-Mh-akkuihin sekä LiCoO2- ja LiMnO4-kemian litium-ioniakkuihin. Kyseisten akkutyyppien soveltuvuutta kannettavaan audiolaitteeseen ei kirjallisuudessa ole juuri tutkittu. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena.

Keskitehoestimaattorin lisääminen diesel-sähköiseen hybridijärjestelmään

Nykyajan jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ja ilmastonmuutoksen uhka ovat ajavia voimia kehittämään voimalaitosten tekniikkaa energiatehokkaampaan ja ympäristöystävällisempään suuntaan. Polttomoottoritekniikan parantaminen on tärkeä osa tätä kehitystä, mutta jo nykyisiä moottoreita voitaisiin ajaa energiate-hokkaammin käyttämällä akustoa ja älykästä säätöjärjestelmää apuna. Työssä tutkitaan simulaatioiden avulla voidaanko ulkomerellä toimivan huolto-aluksen energiatehokkuutta parantaa muokkaamalla sen tehon tuottoa keskitehoes-timaattorin ja akuston avulla.

Sähköajoneuvojen akkujen uusiokäyttö

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkujen uusiokäyttöä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuustyönä. Tavoitteena oli selvittää voidaanko sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkuja uusiokäyttää, mitä ongelmia mahdollisesti uusiokäyttöön liittyy, minkälaisissa sovelluksissa käytettyjä akkuja voisi käyttää ja uusiokäytetäänkö kyseisenlaisia akkuja jo nykyään. Työssä esiteltiin myös yleisimpiä akkutekniikoita sekä niiden kierrätystä. Tutkimuksessa havaittiin, että akuissa on runsaasti kapasiteettia jäljellä ajoneuvokäytön jälkeen. Uusiokäytössä akku voi kestää jopa yhtä paljon käyttöä kuin ajoneuvokäytössä. Ongelmat uusiokäytössä liittyvät akkujen vaihtelevaan kuntoon ja kapasiteettiin. Ennen uusiokäyttöä akut tulisi tarkastaa ja jos mahdollista, poistaa huonokuntoiset ja vialliset kennot. Käytettyjen akkujen uusiokäyttöön soveltuvista laitteistoista on tehty muutamia prototyyppejä, jotka ovat teholtaan ja kapasiteetiltaan hyvin vaihtelevia. Sopivalla valvontajärjestelmällä varustettuna käytettyjä akkuja voitaneen käyttää myös olemassa olevissa, akkuja sisältävissä järjestelmissä. Käytettyjä akkuja voitaneen käyttää muun muassa uusiutuvan energian varastointiin, sähköverkon kulutushuippujen kompensointiin ja sähköajoneuvojen pikalatauksen puskurina. Etenkin litiumioniakkujen uusiokäyttö on järkevää, koska kierrätys ei ole kovin tehokasta ainakaan vielä.

Vanadiiniakut

Nykyään monet käyttökohteet vaativat akuilta aiempaa parempaa suorituskykyä, joten on syntynyt kasvavaa tarvetta uusien akkujen kehittämiselle erilaisista uusista materiaaleista ja uusiin valmistusmenetelmiin pohjautuen. Työn tavoitteena on selvittää kirjallisuustutkimuksena litium-vanadiini-fosfaattiakun ja vanadiini-redoksi-virtausakun ominaisuuksia, saatavuutta, sovelluskohteita ja vertailla niitä muutamaan eri litiumakkutekniikkaan. Tutkimuksen perusteella litium-vanadiini-fosfaattiakkuja ei ole vielä saatavilla kaupallisesti, joten työssä tutkittiin niitä teknisten raporttien pohjalta. Raporttien pohjalta arvioituna, parhaita ominaisuuksia litium-vanadiini-fosfaattiakuilla on erinomainen kuormituksen kesto ja korkea nimellisjännite. Sähköisissä ajoneuvoissa litium-vanadiini-fosfaattiakuilla on suurimmat mahdollisuudet erilaisissa hybridiajoneuvoissa, mutta todennäköisesti ne soveltuvat täyssähköisiin ajoneuvoihin vähintään yhtä hyvin kuin esimerkiksi litium-rauta-fosfaattiakut, jos valmistuskustannukset olisivat samalla tasolla. Vanadiini-redoksi-virtausakkua on jo markkinoilla usean valmistajan toimesta. Niiden ominaisuudet poikkeavat paljon muista akkutyypeistä ja erikoisuutena on mahdollisuus akun pikalataukseen elektrolyyttinesteet vaihtamalla. Syklien kestossa päästään myös erinomaisiin arvoihin, mutta suurimmat ongelmat ovat lyijyakkuakin matalampi energiatiheys ja tehotiheys. Vanadiini-redoksi-virtausakut soveltuvat parhaiten suuren kokoluokan sähköverkkoratkaisuihin ja sähköisissä ajoneuvoissa niiden mahdollisuudet rajoittunevat täyssähköisiin linja-autoihin ja isoihin työkoneisiin.

Continuous Counter-current Solvent Extraction of Magnesium and Calcium from Lithium-rich Brine

Solvent extraction of calcium and magnesium impurities from a lithium-rich brine (Ca ~ 2,000 ppm, Mg ~ 50 ppm, Li ~ 30,000 ppm) was investigated using a continuous counter-current solvent extraction mixer-settler set-up. The literature review includes a general review about resources, demands and production methods of Li followed by basics of solvent extraction. Experimental section includes batch experiments for investigation of pH isotherms of three extractants; D2EHPA, Versatic 10 and LIX 984 with concentrations of 0.52, 0.53 and 0.50 M in kerosene respectively. Based on pH isotherms LIX 984 showed no affinity for solvent extraction of Mg and Ca at pH ≤ 8 while D2EHPA and Versatic 10 were effective in extraction of Ca and Mg. Based on constructed pH isotherms, loading isotherms of D2EHPA (at pH 3.5 and 3.9) and Versatic 10 (at pH 7 and 8) were further investigated. Furthermore based on McCabe-Thiele method, two extraction stages and one stripping stage (using HCl acid with concentration of 2 M for Versatic 10 and 3 M for D2EHPA) was practiced in continuous runs. Merits of Versatic 10 in comparison to D2EHPA are higher selectivity for Ca and Mg, faster phase disengagement, no detrimental change in viscosity due to shear amount of metal extraction and lower acidity in stripping. On the other hand D2EHPA has less aqueous solubility and is capable of removing Mg and Ca simultaneously even at higher Ca loading (A/O in continuous runs > 1). In general, shorter residence time (~ 2 min), lower temperature (~23 °C), lower pH values (6.5-7.0 for Versatic 10 and 3.5-3.7 for D2EHPA) and a moderately low A/O value (< 1:1) would cause removal of 100% of Ca and nearly 100% of Mg while keeping Li loss less than 4%, much lower than the conventional precipitation in which 20% of Li is lost.

Akkuvarastot omakotitaloissa

Energian varastointi on noussut keskeiseksi energia-alan teemaksi viime vuosina. Erityi-sesti uusiutuvan tuotannon lisääntyminen ja energian käytön tehostaminen ovat edesautta-neet energiavarastoratkaisuiden mukaantuloa. Työssä tarkastellaan litiumrautafosfaattiak-kujen käytön kannattavuutta omakotitaloissa. Tavoitteena on selvittää, millä reunaehdoilla näiden akkujen käyttö energiavarastoina tulee kannattavaksi Lappeenrannan olosuhteissa. Kannattavuutta selvitetään litiumrautafosfaattiakkujen markkina-analyysin ja teknistalou-dellisen analyysin sekä Matlab-simulaation avulla.

Determination of the thermal parameters of high-power batteries by local heat

A new approach to the determination of the thermal parameters of high-power batteries is introduced here. Application of local heat flux measurement with a gradient heat flux sensor (GHFS) allows determination of the cell thermal parameters in di_erent surface points of the cell. The suggested methodology is not cell destructive as it does not require deep discharge of the cell or application of any charge/discharge cycles during measurements of the thermal parameters of the cell. The complete procedure is demonstrated on a high-power Li-ion pouch cell, and it is verified on a sample with well-known thermal parameters. A comparison of the experimental results with conventional thermal characterization methods shows an acceptably low error. The dependence of the cell thermal parameters on state of charge (SoC) and measurement points on the surface was studied by the proposed measurement approach.

Sähköautojen akkuteknologioiden tilannekatsaus

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia sähköautoissa käytettäviä akkuteknologioita ja verrata niiden ominaisuuksia keskenään sekä sähköautojen asettamien akkuvaatimusten kanssa. Akkuteknologiakartoituksen ja ominaisuusvertailun avulla tutkimuksessa oli tarkoitus selvittää sähköautojen akkujen kehitystä menneestä nykyhetkeen ja luoda katsaus akkuteknologian tulevaisuuteen. Tutkimuksessa painotettiin akkujen suorituskykynäkökulmaa, mutta tutkimuksessa otettiin kantaa myös eri akkuteknologioiden turvallisuuteen, ympäristötekijöihin ja hintaan. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena ja lähteinä käytettiin alan kirjallisuutta, IEEE artikkeleita, tutkimusraportteja ja verkkodokumentteja. Lisäksi tutkimuksessa hyödynnettiin akku- ja sähköautovalmistajilta saatavaa tietoa, johon suhtauduttiin varauksin. Tutkimuksessa kävi ilmi, että erilaisia litiumioniakkuteknologioita käytetään tällä hetkellä eniten sekä täyssähköautoissa että pistokehybrideissä. Huomattiin, että akkujen suorituskyvyn kehittyminen on nopeutunut viime vuosina. Erityisesti akkujen energianvarastointikykyyn vaikuttavat ominaisenergiatasot ovat kasvaneet selkeästi. Nykyisen kehittyneen litiumioniakkuteknologian todettiin täyttävän jo osittain lähivuosien suorituskykytavoitteet. Tutkimuksessa tultiin siihen tulokseen, että litiumrikkiakkuteknologia voi korvata litiumioniakkuteknologian ainakin täyssähköautoissa parempien ominaisenergiatasojen ja halvempien valmistuskustannuksien takia. Myös litiumilma-akkuteknologialla havaittiin olevan mahdollisuuksia haastaa muut litiumakkuteknologiat seuraavalla vuosikymmenellä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todetaan, että sähköautot voivat kaupallistua laajemmin lähivuosina akkujen suorituskykyominaisuuksien kehittyessä jatkuvasti. Suorituskykyominaisuuksien parantuminen tulee todennäköisesti johtamaan siihen, että täyssähköautot yleistyvät enemmän ja pistokehybridit tulevat jäämään sähköautojen välivaiheeksi. Uusien akkuteknologioiden käyttöönotto kaupallisiin sähköautoihin voi viedä kuitenkin odotettua kauemmin, sillä akut tarvitsevat huolellista testausta ja käyttöönotto edellyttää, että kaikki ominaisuudet ovat vaaditulla tasolla.

Reuse of electric vehicle battery in uninterruptible power supply

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Nissan Leaf -sähköauton käytetyn litiumakun soveltuvuutta UPS-varavirtalaitteen energialähteeksi. Kun akku on heikentynyt niin ettei sen kapasiteetti enää ole riittävä autokäyttöön, sitä voidaan kuitenkin vielä hyödyntää muissa sovelluksissa, kuten UPS-laitteessa. Työ sai alkunsa osana GreenDataNet-projektia, jossa pyritään kehittämään datakeskuksiin ympäristöä vähemmän kuormittavia ratkaisuja käyttämällä uusiutuvia energialähteitä, akkujen uusiokäytöllä, sekä energianhallinnan optimoinnilla. Työssä käytiin läpi akun ja sen ohjausjärjestelmän ominaisuuksia, kerrottiin UPS:in ohjelmistoon tehdyistä muutoksista sekä esitettiin testitulokset. Lopputuloksena todettiin akun sopivan muuten hyvin UPS-käyttöön, mutta vaadittu päivittäinen kennojännitteiden tasaus ja sen aiheuttama katkos energian saatavuuteen heikentää UPSin käyttövarmuutta kuorman suojauksessa. Lopussa esitettiin muutamia ehdotuksia tämän ongelman korjaamiseksi.

Performance Degradation Modelling and Techno-Economic Analysis of Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems

Transmission system operators and distribution system operators are experiencing new challenges in terms of reliability, power quality, and cost efficiency. Although the potential of energy storages to face those challenges is recognized, the economic implications are still obscure, which introduce the risk into the business models. This thesis aims to investigate the technical and economic value indicators of lithium-ion battery energy storage systems (BESS) in grid-scale applications. In order to do that, a comprehensive performance lithium-ion BESS model with degradation effects estimation is developed. The model development process implies literature review on lifetime modelling, use, and modification of previous study progress, building the additional system parts and integrating it into a complete tool. The constructed model is capable of describing the dynamic behavior of the BESS voltage, state of charge, temperature and capacity loss. Five control strategies for BESS unit providing primary frequency regulation are implemented, in addition to the model. The questions related to BESS dimensioning and the end of life (EoL) criterion are addressed. Simulations are performed with one-month real frequency data acquired from Fingrid. The lifetime and cost-benefit analysis of the simulation results allow to compare and determine the preferable control strategy. Finally, the study performs the sensitivity analysis of economic profitability with variable size, EoL and system price. The research reports that BESS can be profitable in certain cases and presents the recommendations.