Study, modeling and preliminary design of battery systems for high performance, plug-in hybrid electric vehicles

The first step of assembling an automotive battery is choosing the appropriate cell from those available on the market. Nevertheless, carmakers often have inadequate battery know-how and external support is usually required. In this work an evaluation code is developed using Matlab Version R2014b and referencing on-line battery datasheets. There are concrete future prospects of Lithium-ion batteries for the automotive industry, hence only this type of storage is considered in the analysis. The code aims at selecting the most suitable cell for certain targets, with a focus on high performance, plug-in hybrid electric vehicles. The main criteria is maximum accepted pack’s weight of 120-130 kg, hence cell weight is especially relevant. Several cells’ technologies are compared through battery simplified modelling and sizing, in particular energy and power cells. Also, battery performance for specific driving cycles is tested in order to establish vehicle electric-only travel range and battery durability. Additional testing is carried out using track laps data for efficiency and regenerative capability analysis. Moreover, a preliminary chemical comparison of the market offer is presented in order to further understand different cells’ performance. The results show that the model outputs successfully match with cells’ intrinsic characteristics. Power cells were found to be more appropriate for high performance vehicles. The analysis indicates that the A123-prismatic is the most suitable power cell that meets the maximum weight and electric-only target range. There is limited publically available data for this field of research. The on-line datasheets are often rough and imprecise, and finding valid and trustful information about every specific cell is challenging. Therefore, the output of the code is intended to be a preliminary design. Also when considering the cells only, it is not enough for total pack evaluation, since the battery pack layout depends on other factors, such as cooling. Further research is required for this technology and its application in the electric vehicles industry and it is explained in more detail in this work.

Il primo passo per assemblare una batteria per un veicolo è scegliere la cella appropiata tra quelle disponibili sul mercato. Tuttavia, spesso le case automobilistiche non hanno sufficiente know-how a riguardo rendendo necessario un consulto esterno. Questo elaborato propone un codice di valutazione preliminare delle celle sviluppato usando le specifiche tecniche di batterie disponibili on-line e implementato usando Matlab Versione R2014b. L’analisi considera soltanto le batterie al litio, grazie alle concrete prospettive di sviluppo di queste ultime nel settore automobilistico. Il codice seleziona la cella più opportuna rispetto a precisi obiettivi, che accomunano principalmente veicoli ibridi elettrici plug-in ad alta prestazione. In particolare il peso di ogni singola cella è un dato rilevante, dato che il criterio di valutazione principale è il peso massimo accettabile dell’intero pacco batteria, che in questa analisi è di 120-130 kg. Attraverso la modellazione e dimensionamento della batteria sono paragonate diverse tecnologie di cella, con particolare enfasi sulla differenza tra celle di energia e di potenza. Successivamente il comportamento della batteria su diversi cicli guida è testato per stabilirne il range chilometrico in solo elettrico e la durata complessiva in termini di numero di cicli sul suddetto ciclo. Oltre ai cicli guida, la batteria è testata anche su alcuni giri pista per analizzare l’efficienza e la capacità rigenerativa della stessa. Uno studio a livello chimico di tutte le celle disponibili è fondamentale per poter capire le ragioni delle differenti prestazioni e per poter verificare la coerenza dei risultati del codice con la teoria. I risultati del modello mostrano come le celle di potenza siano più adatte ad un’applicazione ad alte prestazioni, ed in particolare la cella prismatica A123 è quella più appropiata visto che si mantiene sotto il limite di peso imposto e allo stesso tempo presenta un range in solo elettrico compatibile. Nonostante l’obiettivo del modello sia la scelta di una precisa tecnologia, la forte competizione nel mondo delle batterie fa sì che ci sia un numero limitato di informazioni tecniche pubblicamente disponibili, e inoltre, l’imprecisione delle specifiche tecniche rende la ricerca di dati validi piuttosto complessa. Di conseguenza, il risultato del modello è da intendersi come preliminare, anche perché considerare soltanto le celle non è sufficiente per la valutazione del peso del pacco completo, che invece dipende da altri fattori, come il raffreddamento. In questo elaborato vengono spiegate in dettaglio le caratteristiche dell’intero pacco batteria volto ad un’applicazione automotive e quali sono le implicazioni principali a seguito di un certo dimensionamento sul powertrain complessivo.