Analysis of active balancing for serially connected lithium-ion battery cells by using object-oriented modeling and simulation

Abstract

Lithium-Ionen Batteriezellen müssen in einem streng definierten Spannungsbereich betrieben werden und dürfen daher weder überladen noch überentladen werden. Darum bestimmt bei einer Serienschaltung von Batteriezellen mit unterschiedlichen Zellkapazitäten die schwächste Zelle im Verbund die Kapazität der gesamten Batterie. Sobald von einer Zelle der Serienschaltung die Lade- bzw. Entladeschlussspannung erreicht wird, muss der Lade- bzw. Entladevorgang abgebrochen werden und die Kapazität der Batterie kann nicht vollständig genutzt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Methoden und Werkzeuge zur Steigerung der nutzbaren Energie in einer Serienschaltung von Lithium-Ionen Batteriezellen zur Verfügung zu stellen. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Modellierung und der Simulation von Batterien sowie mit der Parametrierung von Batteriemodellen. Es wird eine Bibliothek zum Simulieren von elektrischen Energiespeichern, unter Verwendung von Modelica/Dymola, vorgestellt. Diese beinhaltet elektrische Modelle für Batterien (sowohl Einzelzellen als auch Stacks), Batteriemanagementsysteme, Ladegeräte, Lasten, Sensoren und Schnittstellen. Auch eine Erweiterung der Bibliothek mit Modellen für Ladungsausgleich und die Kopplung der elektrischen Modelle mit thermischen Batteriemodellen wird präsentiert.<br />Die implementierten Batteriemodelle werden hinsichtlich Genauigkeit, Rechenzeit und Parametrisierungsaufwand mit einer numerischen Optimierungsmethode verglichen. Ein spezielles Batteriemodell wird mit Hilfe von elektrischen Tests sowie Werten aus dem Datenblatt parametriert und mit Messungen validiert. Das Verhalten einer Batterie kann somit mit ausreichender Genauigkeit simuliert werden.<br />Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit aktivem Ladungsausgleich von Batteriezellen. Das Potential von Active Voltage Balancing bei in Serie geschalteten Zellen wird aufgezeigt. Active Voltage Balancing wird hierzu simuliert und in einem Prototyp implementiert. Der Einfluss des Ausgleichstroms und der Streuung der Zellkapazitäten in einem Batteriestack auf die entladbare Energie wird untersucht. Active Voltage Balancing kann verbessert werden, wenn nicht nur nach der Zellspannung, sondern nach der Zellkapazität und dem Ladezustand ausgeglichen wird (Capacity Balancing). Damit kann die nutzbare Energie in einer Batterie weiter deutlich gesteigert werden. Alternativ wird eine weitere Methode zum seriellen Betrieb von Batteriezellen mit unterschiedlichen Kapazitäten vorgestellt und simuliert (Current Equalization). Diese Methode ist noch flexibler und es können auch Zellen mit einer großen Zellkapazitätsstreuung zusammen betrieben werden. Der Betrieb eines Batteriestacks mit Current Equalization kann sogar mit einem reduzierten Strom aufrecht erhalten werden, wenn eine oder mehrere Einzelzellen ausfallen. Weiters wird die Anwendung von Current Equalization in einem zweiten Lebenszyklus für alte Batteriezellen und der Einfluss auf die Zellalterung diskutiert. Die simulierten Ergebnisse werden mit einem Prototyp validiert. Abschließend wird wieder der Einfluss der maximalen Ausgleichsströme, der Streuung der Kapazitäten in einem Batteriestack und der Einfluss der Wandlerstruktur untersucht (unidirektionaler/bidirektionaler Wandler). Zur Steuerung von Capacity Balancing und Current Equalization werden die aktuellen Zellkapazitäten der Einzelzellen benötigt. Da sich die Zellkapazitäten während des Betriebs (z.B. durch Alterung) verändern, müssen die Zellkapazitäten während des Betriebs bestimmt werden können. Das Bestimmen der Kapazität einer einzelnen Batteriezelle ist durch vollständiges Entladen und Integration des Stromes problemlos möglich. Bei in Serie geschalteten Batteriezellen kann so jedoch nur die Kapazität der Zelle mit der geringsten Kapazität bestimmt werden. Deswegen wird eine Methode zur Bestimmung der Zellkapazitäten in einem Batteriestack während des Betriebs vorgestellt und validiert.<br />

Lithium-ion battery cells must be operated in a defined voltage range and must neither be overcharged nor overdischarged. Hence, if single battery cells with different capacities are connected to a battery stack, the weakest cell defines the capacity of the whole stack.<br />As soon as one single cell voltage reaches the discharging/charging voltage limit during discharging/charging, the discharging/charging process has to be stopped immediately and the capacity of the battery stack can not be fully used. The aim of this thesis is providing tools, methods and information to improve the usable energy in a serially connected lithium-ion battery stack.<br />The first part of this thesis is about modeling and simulating batteries as well as parameterizing battery models. A library for simulating electric energy storages using Modelica/Dymola is presented. This library contains electrical models for batteries (cells and stacks), battery management systems, chargers, loads, sensors as well as interfaces. It can be used to simulate the behavior of electric energy storages in mobile devices, stationary applications and in transportation systems. Furthermore, an extension of the library with models for charge equalizers and the possible coupling of the electrical models with thermal battery models are introduced. The implemented battery models are compared in terms of accuracy, computation time and parameterization effort with a numerical optimization method. One specific battery model with a good trade-off between accuracy, computation time and parameterization effort is then parameterized with basic electrical tests and validated with measurements. Hence, the behavior of a battery can be calculated with sufficient accuracy.<br />The second part of this thesis deals with active charge equalization of battery cells. The usable energy of a battery stack can be increased remarkably with active voltage balancing. Active voltage balancing is simulated with parameterized models from the electric energy storage library and implemented in a prototype. The influence of the balancing current and the capacity variance in a battery stack is discussed.<br />Moreover, it is shown how active voltage balancing can be improved if the cell capacities as well as the state of charge of each cell instead of only the cell voltages are considered (capacity balancing). With capacity balancing, the usable energy in a battery stack can be further increased significantly. In comparison, another method for equalizing serially connected battery cells with different capacities is presented and simulated (current equalization). This method is much more flexible and even cells with a very large cell capacity variation can be utilized. A battery stack equipped with the current equalization structure still works with a reduced current (limp home operation mode) if one or more cells become inoperative. This is a great advantage of this method. The application of the current equalization method as a second life option for old battery cells and the influence on the cell ageing is discussed. Using a current equalization prototype the simulation results are validated. Moreover, the influence of the converter structure (unidirectional/bidirectional power converter), the maximal equalization currents and the influence of the capacity variance in the battery stack on the usable energy are investigated. For controlling the capacity balancing as well as the current equalization structures, the capacities of all cells in the battery stack must be known. Since the cell capacities can change during operation (e.g. due to ageing) the capacities must be estimated during operation. The capacity of a single battery cell can be estimated by completely discharging and integrating the current. However, in a battery stack only the capacity of the cell with the smallest cell capacity can be estimated by this method. Therefore, a method for estimating all cell capacities in a serially connected battery stack is presented and validated.<br />