Heterogeneity and sensitivity analysis for multi-battery control

In the last years big steps forward were made by automotive companies to reduce the environmental impact of road transportation. Hybrid Electric Vehicles (HEVs) limit the fuel consumption while fully electric vehicles supplied by batteries (BEVs), if charged with renewable energy, have the potential to be $CO_2$ neutral. Recently, the heavy vehicle market was affected by this trend and the extension of electric propulsion and storage systems to trucks brought some new challenges. In fact, in order to achieve enough autonomy range, an heavy vehicle needs more than one battery inside its Energy Storage System (ESS). These batteries must be connected in parallel because of the maximum voltage safety constraints. The literature on parallel configurations for batteries is quite new and is still an open research problem. The packs are connected without a physical device that controls how much current should be provided by each battery and due to the lack of information the demanded current by the load is saturated so that no pack can be fully discharged. This approach is highly conservative and the aim of this thesis is to understand which are the natural behaviors of this kind of configuration and evaluate the margin of improvement that could be obtained by the implementation of an advanced controller. In the first chapters the reader can get used to the particularly complex battery control field. Batteries are non-linear dynamic systems that are quite complex to study even singularly. Starting from one of these models it is derived a fully scalable state space representation that describes the parallel connection of N batteries. The model was validated in laboratory and implemented in Simulink in order to perform a current sensitivity analysis under various parameter imbalances. The main results are the self-balancing behavior for SOC and the understanding of which kind of parallel connection is better to preserve batteries health. Based on this analysis, in the last chapter are collected the main guidelines to perform a proper control action for the multi-battery system.

Negli ultimi anni notevoli progressi sono stati fatti dalle compagnie automobilistiche verso la tutela dell'ambiente per quello che riguarda il trasporto stradale. Veicoli a motore ibrido o completamente elettrico hanno il potenziale di raggiungere il livello di zero emissioni di $CO_2$. Recentemente la sfida si è ampliata anche al settore dei veicoli pesanti comportando nuove sfide per le tecnologie di propulsione e storaggio energetico. Infatti, per ottenere un'autonomia sufficiente, i mezzi pesanti sono equipaggiati con più di una batteria all'interno del loro Energy Storage System (ESS). Queste devono essere collegate in parallelo per non sforare i limiti massimi di voltaggio. Questo tipo di connessione non era molto comune per le altre applicazioni e la letteratura scientifica a riguardo è piuttosto recente e non è sufficientemente completa. Le batterie sono collegate senza dispositivi che dividano i flussi di corrente nelle varie unità e a causa della mancanza di informazioni la corrente richiesta dal carico è saturata così che nessuna unità sia completamente scaricata durante il funzionamento. Questo approccio è altamente conservativo e l'obiettivo di questa tesi è quello di capire qual è il comportamento naturale del sistema e valutare i margini di miglioramento che potrebbe conseguire un controllore avanzato. Le batterie sono sistemi dinamici non lineari che anche se studiate singolarmente sono particolarmente complesse. Nei primi capitoli sono introdotti alcuni modelli e i principali concetti relativi al controllo della batteria. Partendo da uno di questi modelli è stato sviluppata una rappresentazione di stato per la descrizione di N batterie collegate in parallelo. Il modello è stato validato in laboratorio e implementato in Simulink per poter fare un'analisi di sensitività delle correnti rispetto alla perturbazione di alcuni parametri. I risultati principali ottenuti riguardano l'autobilanciamento dei livelli di carica (SOC) e quali configurazioni parallele sono più benefiche alla durata di vita delle batterie. Basandosi sui risultati dell'analisi nell'ultimo capitolo sono raccolte alcune linee guida per lo sviluppo di un controllore avanzato per il sistema di batterie in parallelo.