Electrical modeling of large lithium-ion batteries for use in dynamic simulations of electric vehicles

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Licentiate thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2012

Department

Sähkötekniikan laitos

Major/Subject

Tehoelektroniikka

Mcode

S-81

Degree programme

Language

en

Pages

[8] + 69

Series

Abstract

During the development of electric vehicles and non-road mobile machinery (NRMM), dynamic system-level simulations are utilized to validate the design and the sizing of components as well as to validate the control software. The model of a battery needs to predict e.g. the open-circuit voltage, terminal voltage, and state-of-charge under various load profiles. Electrical battery models are commonly used, because they are simple and computationally light but still provide good accuracy. Despite the simplicity and low number of parameters, the complex behaviour of electrochemical batteries still makes the parameter extraction a tedious process. This thesis presents a versatile electrical battery model for large lithium-ion (Li-ion) batteries that can be used in dynamic simulations of electric vehicles and NRMM. A set of experiments and a methodology to extract the parameters of the model are described in detail. The parameters are extracted using data from pulse-discharge and pulse-charge experiments, which can be made with a battery cell, module or pack. The presented model can be used for any Li-ion chemistry. The model predicts accurately the state-of-charge, terminal voltage, open-circuit voltage, state-of-health, and power losses for arbitrary discharge and charge current profiles. It also takes temperature, current-rate, calendar-life, and cycle-life effects into account in an easy and intuitive manner. A commercial Li-ion polymer battery with lithium-nickel-manganese-cobalt-oxide cathode and graphite anode is used in the experiments. Model parameters are extracted from the experimental data. The model is validated with independent experiments by using a more realistic hybrid electric NRMM current profile, which is formed from a measured power profile of a real underground mining loader under a typical duty cycle in a test mine. The simulation results show very good agreement with the experiments.

Sähköajoneuvojen ja sähköisten työkoneiden kehitystyön aikana dynaamisia järjestelmätason simulointeja käytetään yleisesti suunnittelun ja komponenttien mitoituksen tukena sekä ohjausohjelmiston validoinnissa. Näitä tarkoituksia varten simuloinneissa käytettävän akkumallin tulee ennustaa esim. avoimen piirin jännite, napajännite ja varaustila kaikenlaisille kuormituksille. Tähän tarkoitukseen käytetään usein sähköisiä akkumalleja, koska ne ovat yksinkertaisia ja laskennallisesti kevyitä, mutta silti tarkkoja. Mallin yksinkertaisuudesta huolimatta mallin parametrien määrittäminen on työlästä, koska akut ovat sähkökemiallisia järjestelmiä, joiden käyttäytyminen riippuu mm. varaustasosta ja lämpötilasta. Tässä lisensiaatintutkimuksessa esitellään monipuolinen sähköinen akkumalli, jota voidaan käyttää sähköajoneuvojen ja sähköisten työkoneiden dynaamisiin simulointeihin. Työssä esitetään menetelmä, jonka avulla mallin parametrit voidaan määrittää yksinkertaisten pulssimuotoisten kuormitus- ja lataustestien avulla. Testit voidaan tehdä kennolle, moduulille tai kokonaiselle akkupaketille. Mallirakenne ja parametrisointimenetelmä soveltuvat kaikkien litiumioniakkukemioiden karakterisoimiseen. Akkumalli ennustaa kaikenlaisille virtaprofiileille varaustason, napajännitteen, avoimen piirin jännitteen, akun kunnon sekä tehohäviöt. Malli huomioi lämpötilan, virran suuruuden, virran suunnan, kalenteri-iän ja sykli-iän vaikutukset. Kokeellisissa testeissä on käytetty kaupallista Kokamin valmistamaa litiumionipolymeeriakkua, jonka katodimateriaalina on litium-nikkeli-mangaani-kobolttioksidi ja anodimateriaalina grafiitti. Mallin parametrit on määritetty kokeellisesta datasta ja malli on validoitu käyttämällä erillisiä validointitestejä. Validointitestien tehoprofiili on määritetty maanalaisen kaivoskoneen mitatusta datasta, jossa kone suoritti testikaivoksessa kaivoskoneelle tyypillisen työsyklin. Testeissä saadut mittaustulokset vastaavat erittäin hyvin simulointituloksia.

Description

Supervisor

Ovaska, Seppo

Thesis advisor

Suomela, Jussi

Keywords

lithium-ion battery, litiumakku, dynamic model, dynaaminen malli, electrical equivalent circuit, sähköinen sijaiskytkentä, open-circuit voltage, avoimen piirin jännite, terminal voltage, napajännite, state-of-charge, varaustila

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202104156077

Collections

[lic] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC