Akun varaustilan laskentaa varten tehtävä karakterisointi
Aaltonen, Markus (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022041228366
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022041228366
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkitaan litiumioniakun varaustilan laskenta- ja karakterisointimenetelmiä, niiden ominaisuuksia ja eroja. Litiumioniakun varaustila on mahdollista selvittää useilla menetelmillä kuten avoimen piirin jännitteen ja varaustilan suhteesta, Coulombi-laskennalla eli virran integroimista ajan funktiona tai sijaiskytkentämenetelmällä. Huolimatta varaustilan laskentamenetelmästä, akun parametrit pitää ensin selvittää eli karakterisoida, jotta akun käyttäytyminen pystytään mallintamaan mahdollisimman tarkasti. Karakterisointi voidaan tehdä selvittämällä parametrit datalehdistä tai mittaamalla. Akun karakterisoinnista saatavaa tietoa käytetään akun varaustilan ja akun kunnon laskennassa.
Tutkimusten perusteella havaittiin, että ainoastaan akun sisäresistanssiin perustuva akun sijaiskytkentä ei riitä kuvaamaan akun jatkuvia kuormitusvaihteluita riittävän tarkasti. Lisäämällä sijaiskytkentään sarjaan resistiiviset ja kapasitiiviset komponentit, akun käyttäytyminen on mahdollista saada mallinnettua tarkemmin. Tutkimuksen perusteella havaittiin, että karakterisoinnin tarkkuutta voidaan parantaa ottamalla huomioon sähkökäytön vaatimukset kuten käytettävissä oleva lämpötila-alue sekä lataus- ja purkuvirta-alue. Karakterisoinnin tarkkuuteen vaikuttaa myös karakterisointimittauksien resoluutio ja jännitemittauksen tarkkuus. Akun sijaiskytkennän komponenttiarvot karakterisoitiin virtapulssin jälkeisen lepoajan aikana tehdyn jännitteen käyttäytymisen analysointiin perustuvan menetelmän avulla. Simulaation sijaiskytkentämallin ja akun pulssivirtamittausten tuloksien vertailun perusteella todettiin, että sijaiskytkentä mallintaa tarkasti akun todellista käyttäytymistä. Tässä opinnäytetyössä käytetty menetelmä on käyttökelpoinen akun varaustilan laskennassa. The aim of this M.Sc thesis is to analyze the features, differences and to investigate the different methods for lithium-ion battery characterization and state of charge calculation. The lithium-ion battery state of charge value can be calculated by using different methods such as function of open circuit voltage to state of charge, Coulomb counting or equivalent circuit method. Coulomb counting means integration of the battery current over time. Despite of battery state of charge calculation methods, the battery parameters must first be characterized, so that the battery behavior can be modeled as accurate as possible. The characterization data can be found from datasheets or they can be measured. Battery characterization data is used for battery state of charge and battery state of health calculation.
Based on the research work, battery equivalent circuit with only series resistance cannot describe the battery continuous load changes with enough accuracy. The battery behavior can be modeled more accurately by adding a series resistor capacitor network to equivalent circuit model. Characterization accuracy can be improved if the application requirements for example temperature range, charging and discharging current range are included. Characterization measurement resolution and voltage measurement accuracy will also affect to characterization accuracy. Battery equivalent circuit component values were characterized with the voltage behavior analyzing method during relaxing period after current pulse. Based on the equivalent circuit simulation model output comparison to battery current pulse measurement results, the equivalent circuit is able to accurately model the battery behavior. The equivalent circuit characterization method used in this thesis is useful for battery state of charge calculation.
Tutkimusten perusteella havaittiin, että ainoastaan akun sisäresistanssiin perustuva akun sijaiskytkentä ei riitä kuvaamaan akun jatkuvia kuormitusvaihteluita riittävän tarkasti. Lisäämällä sijaiskytkentään sarjaan resistiiviset ja kapasitiiviset komponentit, akun käyttäytyminen on mahdollista saada mallinnettua tarkemmin. Tutkimuksen perusteella havaittiin, että karakterisoinnin tarkkuutta voidaan parantaa ottamalla huomioon sähkökäytön vaatimukset kuten käytettävissä oleva lämpötila-alue sekä lataus- ja purkuvirta-alue. Karakterisoinnin tarkkuuteen vaikuttaa myös karakterisointimittauksien resoluutio ja jännitemittauksen tarkkuus. Akun sijaiskytkennän komponenttiarvot karakterisoitiin virtapulssin jälkeisen lepoajan aikana tehdyn jännitteen käyttäytymisen analysointiin perustuvan menetelmän avulla. Simulaation sijaiskytkentämallin ja akun pulssivirtamittausten tuloksien vertailun perusteella todettiin, että sijaiskytkentä mallintaa tarkasti akun todellista käyttäytymistä. Tässä opinnäytetyössä käytetty menetelmä on käyttökelpoinen akun varaustilan laskennassa.
Based on the research work, battery equivalent circuit with only series resistance cannot describe the battery continuous load changes with enough accuracy. The battery behavior can be modeled more accurately by adding a series resistor capacitor network to equivalent circuit model. Characterization accuracy can be improved if the application requirements for example temperature range, charging and discharging current range are included. Characterization measurement resolution and voltage measurement accuracy will also affect to characterization accuracy. Battery equivalent circuit component values were characterized with the voltage behavior analyzing method during relaxing period after current pulse. Based on the equivalent circuit simulation model output comparison to battery current pulse measurement results, the equivalent circuit is able to accurately model the battery behavior. The equivalent circuit characterization method used in this thesis is useful for battery state of charge calculation.