Bei der Assemblierung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein zentraler Arbeitsschritt die Herstellung der elektrischen Verbindung von einzelnen Lithium-Ionen-Zellen in Reihen- und/oder Parallelschaltung. Dazu kommen in der Regel Überlappschweißverbindungen aus Blechen mit Dicken von unter 2 mm zum Einsatz. Typischerweise werden Eisen-, Aluminium- und Kupferwerkstoffe genutzt. Dieser Produktionsschritt ist wegen der Wichtigkeit für die gesamte Batteriefunktion in seiner Qualität zu überwachen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein dafür geeignetes Verfahren identifiziert. Es wurden Ultraschallprüfverfahren, Durchstrahlungsverfahren, die Messung des elektrischen Widerstands sowie thermografische Verfahren auf ihre Eignung zur Prüfung derartiger Überlappschweißverbindungen hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die nach dem Stand der Technik verfügbaren Verfahren im betrachteten Anwendungsfall wegen unzureichender Zugänglichkeit, mangelnder Fähigkeit der Fehlerdetektion oder wirtschaftlicher Gründe häufig nur eingeschränkt einsetzbar sind. Demzufolge war ein neues Verfahren zur Prüfung der Schweißnähte zur elektrischen Verbindung von Zellen zu entwickeln. Als Ansatz wurde die optisch angeregte Thermografie gewählt. Diese konnte erfolgreich eingesetzt werden, wenn ein Laser zur Anregung sowie eine Photonendetektorkamera zur Detektion genutzt wurde. Durch die Anwendung der Lockin-Thermografie konnten Rauscheinflüsse auf die Messung minimiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass Lockin-Messungen auch dann ausgewertet können, wenn das gemessene Temperatursignal neben einer harmonischen Schwingung und Rauschen einen stetigen Temperaturtrend aufweist. Die Anwendung von im Rahmen der Arbeit entwickelten Abschirmelementen, die für die Anregungsstrahlung transparent und die von der genutzten Kamera erfassten Strahlung undurchlässig sind, erlaubte die Prüfung metallischer Schweißverbindung in der Nähe von hochabsorptiven Flächen. Unter Nutzung eines neu entwickelten Auswertealgorithmus, der auf die Kompensation des Effekts lateraler Wärmeflüsse im untersuchten Bauteil zielt, konnte die Ergebnisqualität der Thermografie hinsichtlich einer besseren optischen Korrelation der Ergebnisbilder zu Referenzprüfungen sowie einer verringerten Messunsicherheit der angebundenen Fläche verbessert werden. Insgesamt zeigte sich das Verfahren in seiner weiterentwickelten Form als für die Prüfung tauglich.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel 1.2 Einführung in die Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge 2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität 2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien 2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler 2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen 2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen 2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren 2.4.3 Ultraschallprüfung 2.4.4 Durchstrahlungsprüfung 2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands 2.4.6 Oberflächenprüfung 2.4.7 Infrarotthermografie 3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung 3.1 Untersuchte Verfahren 3.2 Ultraschallverfahren 3.3 Durchstrahlungsverfahren 3.4 Messung des elektrischen Widerstands 3.5 Infrarotthermografie 3.6 Verfahrensauswahl 4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung 4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien 4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur 4.3 Techniken der optischen Anregung 4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren 4.4.1 Lockin-Thermografie 4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand 5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen 5.1 Hintergrund 5.2 Lösungsansatz 5.3 Werkstoffauswahl 5.4 Erprobung 6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss 6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.2.1 Simulationsmodell 6.2.2 Simulationsresultate 6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus 6.3.1 Ansatz 6.3.2 Ergebnis 6.3.3 Sensitivitätsanalyse 6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus 6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus 6.4.1 Untersuchte Proben 6.4.2 Emissionsgradmessung 6.4.3 Ergebnisqualität 6.4.4 Grenzen des Algorithmus 7 Zusammenfassung 8 Ausblick / The electrical connection of a multitude of lithium-ion cells is of high importance for producing lithium-ion batteries. These connections are usually carried out with lap welds of steel, aluminium and copper sheets with a thickness of less than 2 mm. Due to its importance the electrical connection should be subject to non-destructive evaluation. Therefore, a suitable method was identified to evaluate the electrical connection. Technologies based on ultrasonic, radiographic and thermographic evaluation as well as measurement of electrical resistance have been studied regarding their potential to non-destructively test aforementioned lap welds. It was found that in the studied case state of the art technologies are limited by restraints regarding accessibility, cycle time and detectability of ctitical flaws. Therefore, a new technique for non-destructive testing of lap welds between cell connections, had to be be defined. Optically excited thermography was considered a promising approach. Optically excited thermography was applied successfully using a laser as excitation source and a photon detector camera to record infrared radiation. The application of the lock-in principle allowed significant noise reduction. It was shown that the evaluation of temperature sequences using the lock-in algorithm does not depend on a temperature signal that shows strict harmonic behaviour but could also be applied when the raw temperature sequence incorporated a trend. The application of newly developed radiation shields, which are transparent to the wavelengths of the excitation signal, but opaque to the wavelengths of infrared detection, allowed thermographic testing of metal surfaces in proximity to highly absorbing surfaces. A new algorithm was developed for evaluating thermographic sequences aimed at reducing the impact of lateral thermal flux. It was proven to increase the quality of thermographic results in terms of visual correlation to reference technologies and measurement uncertainty of the joined area. Overall, the improved technology was found to be feasible for non-destructive testing of lap welds in lithium-ion batteries.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel 1.2 Einführung in die Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge 2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität 2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien 2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen 2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler 2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen 2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen 2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren 2.4.3 Ultraschallprüfung 2.4.4 Durchstrahlungsprüfung 2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands 2.4.6 Oberflächenprüfung 2.4.7 Infrarotthermografie 3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung 3.1 Untersuchte Verfahren 3.2 Ultraschallverfahren 3.3 Durchstrahlungsverfahren 3.4 Messung des elektrischen Widerstands 3.5 Infrarotthermografie 3.6 Verfahrensauswahl 4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung 4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien 4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur 4.3 Techniken der optischen Anregung 4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren 4.4.1 Lockin-Thermografie 4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand 5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen 5.1 Hintergrund 5.2 Lösungsansatz 5.3 Werkstoffauswahl 5.4 Erprobung 6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss 6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme 6.2.1 Simulationsmodell 6.2.2 Simulationsresultate 6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus 6.3.1 Ansatz 6.3.2 Ergebnis 6.3.3 Sensitivitätsanalyse 6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus 6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus 6.4.1 Untersuchte Proben 6.4.2 Emissionsgradmessung 6.4.3 Ergebnisqualität 6.4.4 Grenzen des Algorithmus 7 Zusammenfassung 8 Ausblick

Avec le développement des véhicules électriques, la question de la valorisation des batteries lithium-ion (BLI) se pose pour diverses raisons. Pourtant, une filière de valorisation structurée n’existe pas aujourd’hui. Notre travail académique a pour objet l’étude de cette dernière. La filière de valorisation des BLIs est définie comme un système sociotechnique, complexe en émergence. Notre problématique consiste alors à l’étudier d’un point de vue technico-économique, organisationnel et prospectif et ce en tenant compte des différentes complexités. Cette problématique soulève trois questions de recherche : Comment modéliser la filière de valorisation des BLIs comme un système organisationnel complexe en émergence ? Comment faire de la prospective sur la filière de valorisation des BLIs ? Comment analyser la gouvernance de la filière de valorisation des BLIs ?Pour modéliser la filière de valorisation des BLIs, nous mettons en œuvre d’une manière combinée trois méthodes de modélisation systémiques : SCOS’M (Systemics for Complex Organisational Systems’ Modelling), la cartographie cognitive et la dynamique des systèmes. La modélisation a pour objectif la caractérisation de la filière (parties prenantes, sous-systèmes …), la compréhension de ses dynamiques d’évolution et l’identification des variables clés dans ces dynamiques. Cette modélisation est une base pour la suite.Pour faire de la prospective sur la filière de valorisation des BLIs, nous préconisons l’utilisation des scénarios. Ces derniers sont définis à l’aide de la matrice SRI (Stranford Research Institute), en exploitant les variables clés qui interviennent dans les dynamiques d’évolution de la filière. La prospective est permise en simulant le modèle dynamique des systèmes avec différents scénarios, afin d’analyser les aspects technico-économiques. Pour l’étude de la gouvernance de la filière de valorisation des BLIs, le périmètre a été restreint à l’activité de reconditionnement. Dans ce cas, l’étude de la gouvernance revient à analyser des combinaisons de répartition (application 2nde vie, partie prenante). Une méthodologie d’aide à la décision a été développée pour cette fin. D’une manière générale, cette thèse a identifié les enjeux et questions qui se posent lors de l’étude de la valorisation des batteries lithium-ion des véhicules électriques. A travers notre modélisation, nous avons établi une base d’analyse utile à l’aide à la décision. Nous avons répondu à certaines questions (aspects technico-économiques et organisationnels) et ouvert la voie pour d’autres (aspects logistiques et environnementaux). / With the development of electric vehicles, the recovery of lithium-ion batteries (LIB) arises for various reasons. However, a structured recovery network does not exist today. Our academic work aims to study this latter. The LIBs recovery network is defined as a socio-technical complex emerging system. Our problematic is then to study it from a technical-economic, organizational and prospective perspective, taking into account the different complexities. This problematic raises three research questions: How to model the LIBs recovery network as a complex organizational emerging system? How to foresight on the LIBs recovery network? How to analyze the LIBs recovery network governance?To model the LIBs recovery network, we apply with combination three systemic modeling methods: SCOS'M (Systemics for Complex Organisational Systems' Modelling), cognitive mapping and system dynamics. The modeling aims to characterize the recovery network (stakeholders, subsystems ...), understand its dynamics and identify the key variables in these dynamics. This model is the basis for the following research questions.To Foresight on the LIBs recovery network, we recommend the use of scenarios. These are defined using the SRI matrix (Stranford Research Institute), exploiting the key variables. Foresight is permitted by simulating the system dynamics model with different scenarios to analyze the technical-economic aspects. For the study of the LIBs recovery network governance, the scope was restricted to the repurposing activity. In this case, the study of the governance comes down to analyzing the combinations (2nd life application, stakeholder). A decision aid methodology has been developed for this purpose. In general, this thesis identified the questions that arise when considering the recovery of LIBs. Through our modeling, we have established a useful basis for decision aid. We answered some questions (technical-economic and organizational aspects) and paved the way for others (logistical and environmental aspects).

This diploma thesis deals with lithium-ion batteries. It is focused on negative electrode on grafit based. The goal of this thesis is to show the problematics of lithium-ion batteries together with possibilities for improvement of their basic parametres as capacity and current elektricity loadability. The first part is focused on the description of functionality of lithiumion battery. The second part is practical and it is focused on production of negative electrodes from natural graphite 280H which has different thickness and compression pressure. The third part describes preparation of negative electrodes from natural graphite 280H and also includes results of measurement. In the last part are different types of negative electrodes from natural graphite 280H compared and evaluated including the determination of conclusions. This comparison and evaluation based on obtained data.

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The automotive market is currently undergoing a historical change where stricter emission legislations and ever increasing fuel costs have intensified the search for effective alternatives to the conventional internal combustion engine, which has resulted in a substantial trend towards electrification of powertrains. Storage of electrical energy is the fundamental component in this technology where the lithium-ion batteries are currently considered as the most appropriate solution. Lithium-ion batteries, however, as other types of batteries, can only be used efficiently and durably within a specific temperature range.This Master thesis has been carried out in collaboration with Electroengine in Sweden AB, situated in Uppsala, which has an ongoing project regarding development of a modular battery system for electric powertrains. The project is at a stage where an initial prototype has been developed which provides the foundation for this thesis. The study has addressed the battery system performance from a thermal perspective, in order to validate the ability of the system to create a thermally serviceable environment for the lithium-ion battery cells. The work has therefore been focused on verifying whether the existing structure provides sufficient heating and cooling functions. Based on the validation review, the current prototype's performance is presented and suggestions for improvements are submitted.Knowledge in the relevant area has been acquired through an extensive pre study concerning competing temperature management systems, basic thermodynamics, potential pathways for heat transfer and temperature-related characteristics for battery cells. Further, testing was conducted to obtain cell-generated heat power at varying load, state of charge and temperature. Henceforth the test data was used for the creation of simulation models in (COMSOL, 2012) and numerical analysis in (MATLAB, 2011) regarding the battery system's thermal behavior for various operating conditions in order to verify the system's temperature-regulating sustainability and to design the required cooling and heating functions.The conclusion of the study indicates that the existing design possesses acceptable dimensioning of cooling and heating properties. For further development of the battery system's temperature regulatory functions, a number of system improvement measures are necessary. Prioritized improvements are adaptive cooling which is only activated when needed, and cooling through the connecting plates of the battery cells. Implementation of improvement measures will result in an extended lifespan of the battery cells, and higher overall efficiency of the battery system. / Fordonsmarknaden genomgår idag en historisk förändring där striktare utsläppslagstiftningar och ständigt ökande bränslekostander har intensifierat sökandet efter effektiva alternativ till den konventionella förbränningsmotorn, vilket medfört en omfattande trend mot elektrifiering av drivlinor. Lagring av elektrisk energi utgör den fundamentala komponenten inom denna teknologi där litium-jon-batterier idag anses som den mest adekvata lösningen. Litium-jon-batterier är dock, såsom andra typer av batterier, temperatursensibla och kan endast brukas effektivt och durabelt inom ett specifikt temperaturområde.Detta examensarbete har genomförts i samarbete med Electroengine in Sweden AB i Uppsala som har ett pågående projekt där ett modulärt batterisystem för elektriska drivlinor utvecklas. Projektet befinner sig i ett stadie där en initial prototyp framtagits vilken utgör fundamentet för ifrågavarande examensarbete. Genomförd studie har behandlat batterisystemets prestanda ur ett termiskt perspektiv med syfte att validera systemets förmåga att skapa en termiskt tjänlig miljö för ingående litium-jon-battericeller. Arbetet har följaktligen fokuserats på att verifiera huruvida den befintliga konstruktionen tillgodoser satisfierande värmnings- och kylningsfunktioner. Utifrån valideringsgranskningen har den befintliga prototypens prestanda presenterats och förbättringsförslag framlagts.Via en omfattande förstudie berörande konkurrerande temperaturhanteringsystem, grundläggande termodynamik, potentiella vägar för värmetransport och battericellernas temperaturrelaterade egenskaper inhämtades en solid kunskapsbas inom berört område. Vidare genomfördes tester för erhållande av cellgenererad värmeeffekt vid varierande last, laddningsstatus och temperatur. Fortsättningsvis brukades testdata för upprättande av simuleringsmodeller i (COMSOL, 2012) och numerisk analys i (MATLAB, 2011) gällande batterisystemets termiska beteende för olika driftförhållanden för att därigenom verifiera systemets temperaturreglerande bärkraftighet och dimensionera erforderlig kylning och värmning.Slutsaten av genomförd studie är att den befintliga konstruktionen innehar godtagbar dimensionering av kyl- respektive värmningsfunktion för tilltänkt applikation. För vidareutveckling av batterisystemets temperaturreglerande funktion återfinns ett flertal systemförbättrande åtgärder där prioriterade förbättringar utgörs av adaptiv kylning som endast aktiveras vid behov och kylning via battericellernas kontaktbleck. Implementering av förbättringsförslag resulterar i förlängd livslängd för battericellerna samt högre total verkningsgrad för batterisystemet.

Integrating more renewable energy sources into the grid has caused increased instability due to the intermittency of renewable energy sources. Hence, the need for grid balancing strategies such as frequency regulation has intensified. Areim, a Nordic real estate investment company, through this thesis, aims to have an assessment conducted to estimate the environmental benefits or consequences of using their specific battery system as a participant in the Swedish frequency regulation market, using the lifecycle assessment framework. The study only considered the cradle-to-gate lifecycle scope, excluding the product disposal stage, and the impact categories used align with the Environmental Footprint assessment methodology. The functional unit is in per kilo-watthour delivered, and the batteries are expected to deliver 933 kWh of electric energy over the estimated lifetime of 15 years. The normalized carbon emissions caused by delivering 1 kWh of energy for frequency regulation using the status quo prequalified technologies primarily comprised of hydropower, combined heat and power, and battery energy storage produce 4.75 kgCO2eq. Introducing Areim's specific battery system 200 kW bid into the prequalified technologies mix by substitution produces 0.075 kgCO2eq fewer carbon emissions per kWh delivered. The sensitivity analysis further supports that Areim will yield added carbon emission savings by increasing its available prequalified re-source capacity in the market. The findings of this thesis can be used to support Areim and other companies interested in grid support services such as frequency regulation to decide whether it is beneficial to use their specific battery systems for such services from an environmental effect perspective.

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[pt] Por conta dos rápidos avanços tecnológicos, percebe-se uma mudança nos hábitos e das necessidades das pessoas. Há uma dependência cada vez maior de aparelhos eletrônicos como smartphones, notebooks etc. Construir baterias com grande capacidade energética é um dos desafios atuais para aumentar a autonomia dos aparelhos eletrônicos. Entretanto, uma alternativa que pode ajudar a manter aparelhos eletrônicos por mais tempo longe das tomadas é o compartilhamento de baterias. Existem na literatura muitos estudos envolvendo o compartilhamento de baterias no contexto de veículos elétricos, porém não são encontradas aplicações em smartphones. Um parâmetro importante a ser monitorado neste contexto é o estado de saúde (SoH). Até o momento, não há um consenso na literatura acerca do melhor modelo para estimar o SoH de baterias devido à falta de métodos bem estabelecidos. Assim, o objetivo geral desta dissertação foi construir um modelo para estimar a curva de estado de saúde, por meio do estado de carga, com vistas a estimar a saúde de baterias de íon-lítio. O modelo proposto foi baseado em redes neurais recorrentes. Para treinar e validar o modelo, foi construído um sistema para a realização de ensaios destrutivos, sendo possível estudar o comportamento de baterias de íon-lítio ao longo de toda vida útil. O modelo proposto foi capaz de estimar o SoH das baterias estudadas com boa exatidão, sob diferentes parâmetros de carga/descarga. O diferencial do modelo são baixa complexidade computacional, mesmo envolvendo modelos de redes neurais, e serem adotados parâmetros de entrada de fácil medição. / [en] Because of the fast technological advances, there is a change in people s habits and needs. There is an increasing dependence on electronic devices such as smartphones, notebooks etc. Building batteries with great energy capacity is one of the current challenges to increase the autonomy of electronic devices. However, an alternative that can help keep electronic devices longer away from sockets is battery swap. There are many studies in the literature involving the sharing of batteries in the context of electric vehicles, but no applications are found in smartphones. An important parameter to be monitored in this context is state of health (SoH). To date, there is no consensus in the literature about the best model for estimating battery SoH due to the lack of well-established methods. Thus, the objective of this dissertation is to build a model to estimate the state of health curve, with a view to classifying the health of lithium-ion batteries, through state of charge curve, for applications involving battery swap aiming to use in smartphones. The proposed model was based on recurrent neural networks. To train and validate the model, a system was built to perform destructive tests, being possible to study the behavior of lithium-ion batteries throughout its useful life. The proposed model was able to estimate the SoH of the batteries studied with good precision, under different charge / discharge parameters. The distinction of the model is low computational complexity, even involving neural network models, and easy-to-measure input parameters are adopted.

Data-driven prediction of battery health has gained increased attention over the past couple of years, in both academia and industry. Accurate early-stage predictions of battery performance would create new opportunities regarding production and use. Using data from only the first 100 cycles, in a data set of 124 cells where lifetimes span between 150 and 2300 cycles, this work combines parametric linear models with non-parametric Gaussian process regression to achieve cycle lifetime predictions with an overall accuracy of 8.8% mean error. This work presents a relevant contribution to current research as this combination of methods is previously unseen when regressing battery lifetime on a high dimensional feature space. The study and the results presented further show that Gaussian process regression can serve as a valuable contributor in future data-driven implementations of battery health predictions. / Datadriven prediktion av batterihälsa har fått ökad uppmärksamhet under de senaste åren, både inom akademin och industrin. Precisa prediktioner i tidigt stadium av batteriprestanda skulle kunna skapa nya möjligheter för produktion och användning. Genom att använda data från endast de första 100 cyklerna, i en datamängd med 124 celler där livslängden sträcker sig mellan 150 och 2300 cykler, kombinerar denna uppsats parametriska linjära modeller med ickeparametrisk Gaussisk processregression för att uppnå livstidsprediktioner med en genomsnittlig noggrannhet om 8.8% fel. Studien utgör ett relevant bidrag till den aktuella forskningen eftersom den använda kombinationen av metoder inte tidigare utnyttjats för regression av batterilivslängd med ett högdimensionellt variabelrum. Studien och de erhållna resultaten visar att regression med hjälp av Gaussiska processer kan bidra i framtida datadrivna implementeringar av prediktion för batterihälsa.

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