A Comparative Study on the Influence of DC/DC-Converter Induced High Frequency Current Ripple on Lithium-Ion Batteries

Modern battery energy systems are key enablers of the conversion of our energy and mobility sector towards renewability. Most of the time, their batteries are connected to power electronics that induce high frequency current ripple on the batteries that could lead to reinforced battery ageing. This study investigates the influence of high frequency current ripple on the ageing of commercially available, cylindrical 18,650 lithium-ion batteries in comparison to identical batteries that are aged with a conventional battery test system. The respective ageing tests that have been carried out to obtain numerous parameters such as the capacity loss, the gradient of voltage curves and impedance spectra are explained and evaluated to pinpoint how current ripple possibly affects battery ageing. Finally, the results suggest that there is little to no further influence of current ripple that is severe enough to stand out against ageing effects due to the underlying accelerated cyclic ageing

Impact of high-frequency alternating currents of power electronic circuits on the operating and ageing behaviour of lithium-ion-batteries

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3241-6 (ISSN 2367-3761)Der Erfolg batterieelektrischer Fahrzeuge hängt maßgeblich von der Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit des Batteriespeichers ab. Dieser ist an verschiedene leistungselektronische Schaltungen angeschlossen, durch deren Schaltmuster periodische Stromschwankungen, sog. "Rippel" entstehen. In dieser Arbeit wird der Einfluss dieser hochfrequenten Stromschwankungen auf die Alterung und das Betriebsverhalten von Lithium-Ionen-Zellen durch zyklische Alterungstests mit induzierten, hochfrequenten Stromrippeln eines eigens entwickelten Zelltesters untersucht. Die vergleichende Auswertung zentraler Alterungsparameter, darunter Restkapazität, Innenwiderstand und Polarisationsverhalten, ergibt, dass der Einfluss des Stromrippels auf das allgemeine Alterungsverhalten der Zellen relativ gering ausfällt und deutlich von gravierenderen Einflüssen überlagert wird. Insbesondere bestätigt sich, dass zwischen den Alterungsparametern stets direkte Rückschlüsse gezogen werden können und somit bei der Diagnose der Zellbeschaffenheit keine Unterscheidung zwischen den Zyklisierungsmethoden herangezogen werden muss. Die Messungen zeigen jedoch einen qualitativen Zusammenhang zwischen der im Betrieb erreichbaren Zyklentiefe und den Stromrippeln und legen ebenso einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Größe der Stromschwankung und der verringerten Zyklentiefe nahe. Demnach ist im Rahmen typischer Betriebsbedingungen kaum ein Einfluss der Stromrippel auf die Zuverlässigkeit der Zellen zu erwarten, wohl aber ein spürbarer Einfluss auf deren Vorhersagbarkeit.The success of battery electric vehicles mainly depends on the reliability and predictability of the battery pack connected to different power electronics with high frequency current ripple inducing switching patterns. In this thesis, the influence of these current ripple on battery ageing and battery operating behaviour is investigated by cyclic ageing tests on lithium-ion-cells with induced high frequency current ripple by a specifically developed cell tester. Comparing the most important ageing parameters, i.~e. capacity loss, inner resistance and polarisation behaviour, yields only a minor and mostly neglectable influence of current ripple on battery ageing, compared to more severe impacts such as cycle depth. Moreover, the direct link between the ageing parameters is confirmed and independent from the cell's cycling. However, the measurements also show that the practical cycle depth is limited due to current ripple and suggest a quantitative connection between the size of the current ripple and the lowered reachable cycle depths. Hence, a severe impact of current ripple on the reliability of the battery pack is unlikely whereas the predictability might be noticeably reduced