title: Influence of ripple currents on the high-voltage battery in electric vehicles
title: potentials of fast-switching semiconductors
titleType: Subtitle
Creators: name: Goldammer, Erik
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::537 Elektrizität, Elektronik
subject: lithium-ion battery
subject: battery aging
subject: aging study
subject: ripple currents
subject: fast-switching semiconductors
subject: electric vehicles

description: Modern wide-bandgap semiconductors are increasingly used in electric vehicles (EVs) due to their higher power density and efficiency, enabling space savings and longer ranges. The switching processes of the power electronics, especially the main traction inverter, cause high-frequency interference, so-called ripple currents on the highvoltage DC bus, to which the high-voltage battery in the vehicle is exposed. The induced ripples are partially mitigated and thus reduced by the DC link capacitor. Due to lower switching losses, potentially higher switching frequencies can be realized with modern semiconductors. In turn, increasing the switching frequency affects the ripple current and, thus, the ripple load on the battery. In battery electric vehicles (BEVs), the high-voltage battery is the most expensive component; the stress and aging of the battery, therefore, play a decisive role in the spread of electric mobility. However, there is no uniform description of the possible effects of ripple currents on lithium-ion batteries lithium-ion batteries (LIBs) in the literature. Consequently, no scientifically sound statement can be made as to whether fast-switching semiconductors and the change in ripple current associated with higher switching frequencies also offer potential in terms of battery service life. These considerations result in the main research areas of this work: First, the investigation and description of the influence of ripple currents induced by the traction inverter on the load and aging of the battery in the EV. Second, the assessment of the potentials associated with the use of modern semiconductors in connection with higher switching frequencies with regard to the service life of the high-voltage battery. In addition, whether higher switching frequencies even allow the DC link capacitor to be dimensioned smaller without adversely affecting the battery is being investigated. To clarify the issues, the work includes the evaluation of the parameters relevant to battery aging of the ripple currents caused by the traction inverter during driving operation. The dependencies of the ripple on the switching frequency and the DC link capacitances are also considered. Furthermore, the design of an aging study to derive the influence of alternating and ripple currents is shown. A new approach is presented to enable a description of the influence of complex ripple currents despite the numerous ripple parameters. The results of the aging study and experimental investigations on large-format pouch cells from the automotive sector show that superimposed high-frequency excitations lead to the formation of current and temperature gradients within the cells. Thus, promoting aging mechanisms such as SEI formation and plating in the advanced aging state. From the ripple evaluation, the results of aging study, and the physical-chemical relationships derived, it is concluded that fast-switching semiconductors only offer optimization potential in certain high-voltage DC bus configurations associated with comparatively high ripple currents. Even then, the potential only exists if the cells are used beyond their supposed service life. For configurations with reduced DC link capacitances, a higher switching frequency compensates for the increased ripple and associated adverse effects on battery life, thus enabling space and cost savings without compromising battery life.
description: Moderne Halbleiter mit breitem Bandabstand werden aufgrund ihrer höheren Leistungsdichte und Effizienz zunehmend in Elektrofahrzeugen eingesetzt und ermöglichen Platzeinsparungen und höhere Reichweiten. Die Schaltvorgänge der Leistungselektronik, insbesondere des Traktionsumrichters, verursachen hochfrequente Störungen, sogenannte Rippelströme, auf dem Hochspannungszwischenkreis, denen die Hochvoltbatterie im Fahrzeug ausgesetzt ist. Die induzierten Rippelströme werden mittels Zwischenkreiskondensatoren gedämpft und damit reduziert. Die geringeren Schaltverluste moderner Halbleiter lassen auch höhere Schaltfrequenzen zu. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz wirkt sich wiederum auf den Rippelstrom und die damit einhergehende Belastung auf die Batterie aus. Bei rein batterieelektrischen Fahrzeugen ist die Hochvoltbatterie die teuerste Komponente. Die Belastung und Alterung der Batterie spielt daher eine entscheidende Rolle für die Verbreitung der Elektromobilität. Da es in der Literatur jedoch noch keine einheitliche Beschreibung der möglichen Auswirkungen von Rippelströmen auf Lithium-Ionen-Batterien gibt, kann keine wissenschaftlich fundierte Aussage darüber getroffen werden, ob schnell schaltende Halbleiter und die mit höheren Schaltfrequenzen verbundene Änderung des Rippelstroms auch Potenziale hinsichtlich der Batterielebensdauer bieten. Aus diesen Überlegungen ergeben sich die Forschungsschwerpunkte dieser Arbeit: Erstens, die Untersuchung und Beschreibung des Einflusses von durch den Traktionswechselrichter induzierten Rippelströmen im Hochspannungszwischenkreis auf die Belastung und Alterung der Batterie im Elektrofahrzeug. Zweitens, die Potenziale, die mit dem Einsatz moderner Halbleiter und höheren Schaltfrequenzen im Hinblick auf die Lebensdauer der Hochvoltbatterie verbunden sind. Darüber hinaus wird untersucht, inwieweit höhere Schaltfrequenzen den Anstieg der Rippelströme und die damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Batterie bei einer Reduzierung des Zwischenkreiskondensators kompensieren können. Zur Klärung der Fragestellungen befasst sich die Arbeit mit der Auswertung und Quantifizierung der durch den Traktionswechselrichter im Fahrbetrieb verursachten Rippelströme. Dabei werden auch die Abhängigkeiten von der Schaltfrequenz und Zwischenkreiskapazität berücksichtigt. Weiterhin wird die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Alterungsstudie zur Ableitung des Einflusses von Wechsel- und Rippelströmen präsentiert. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, den Einfluss komplexer Rippelströme trotz der zahlreichen Rippelparameter zu beschreiben. Die Ergebnisse der Alterungsstudie und die experimentellen Untersuchungen an großformatigen Pouch-Zellen aus dem Automobilbereich zeigen, dass überlagerte hochfrequente Anregungen zur Ausbildung von Strom- und Temperaturgradienten innerhalb der Zellen führen. Dadurch werden Alterungsmechanismen wie SEI-Bildung und metallische Ablagerungen (Plating) im fortgeschrittenen Alterungszustand gefördert. Aus den Ergebnissen der Alterungsstudie und den abgeleiteten physikalisch-chemischen Zusammenhängen geht hervor, dass schnell schaltende Halbleiter nur bei bestimmten Konfigurationen des Hochspannungs-Zwischenkreises mit vergleichsweise hohen Rippelströmen ein Optimierungspotenzial bieten. Selbst dann besteht das Potenzial nur, wenn die Zellen über ihre angenommene Lebensdauer hinaus verwendet werden. Bei Konfigurationen mit reduzierten Zwischenkreiskapazitäten kompensiert eine höhere Schaltfrequenz den erhöhten Rippelstrom und die damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Batterielebensdauer und ermöglicht so Platz- und Kosteneinsparungen ohne Beeinträchtigung der Batterielebensdauer.