Vývoj měřícího systému elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS) s aktivním proudovým buzením pro online monitorování baterií

Abstract

Tato práce se zabývá palubní elektrochemickou impedanční spektroskopií lithiumiontových baterií používaných v elektromobilech. Hlavním cílem je vytvoření a ověření nízkonapěťového prototypu. Výzkum, realizovaný v Porsche Engineering Services s.r.o., zahrnuje vytvoření prototypu s použitím napěťově regulovaného proudového modulátoru, který budí bateriové články a měří jejich změnu napětí, na základě které se následně získá impedance baterie. Dvě verze prototypu jsou vytvořeny – jedna používající laboratorní zařízení, spektrální analyzátor Bode 100, a druhá používající mikrokontroler STM32 F303RE Nucleo. Obě verze a jejich implementace jsou detailně popsány v práci, včetně návrhu obvodu a popisu použité techniky elektrochemické impedanční spektroskopie. Měření byla nejprve realizována s přístrojem Bode 100 při různých stavech nabití a teplotách bateriového článku, a získané Nyquistovy diagramy impedance jsou porovnány s daty z jiných studií. Následně bylo provedeno měření s použitím mikrokontroleru, které odhalilo problémy s jeho použitím a provedenou implementací. Nakonec práci uzavírá diskuse o výsledcích společně s průzkumem proveditelnosti a výzev spojenými s touto implementací.

This thesis elaborates on onboard battery electrochemical impedance spectroscopy (EIS) for lithium-ion battery cells used in electric vehicles. The main objective is the development and validation of a low voltage proof of concept. The research, conducted at Porsche Engineering Services s.r.o., involves creating a prototype using a voltage-controlled current sink to modulate the current that perturbs the battery cells and measuring the battery cell voltage to obtain the battery impedance data. Two versions of the prototype are presented – one utilizing a laboratory device, the Bode 100 spectrum analyzer, and the other integrating an MCU, the STM32 F303RE Nucleo board. Both versions and their implementations are detailed in the thesis, emphasizing key aspects such as the main circuit board and EIS technique. Measurements were initially conducted with the Bode 100 at different state of charge and temperatures of the battery cell, comparing the resulting Nyquist plots of battery impedance with findings from other studies. Subsequently, measurement using the MCU revealed challenges associated with this implementation. Lastly, the thesis concludes with a discussion of the results, along with an exploration of the feasibility and challenges associated with the implementation.