Virtual analysis and parameters identification procedures of a second order lithium ion battery model

The evolution of the automotive market is focused in the transition from the internal combustion engine to the electric motor; the battery performances are the key point to make it possible. Lithium ion batteries are the most promising technology and they are expected to dominate the market for the next two decades. Battery modeling is fundamental for the virtual validation, in order to predict the battery behavior and insert it in a more complex simulation system as the electric power train of a vehicle. Equivalent circuit models are a good compromise between simplicity and performances so they are widely used. This work is centered in the development of a Lithium ion battery model of the second order, which means a circuit with two time constants, responsible for fast and slow dynamics respectively. The first part of the work is focused on the analysis and the managing of a pre-existed model in an electrical simulation environment injecting on it different current profiles in order to verify the accuracy of the model in comparison with experimental data of a 12 V Li-ion battery. Then, a new model has been developed, basing on the experimental data extrapolated by a pulse discharge and a pulse charge test performed in the battery previously mentioned. Starting from the battery voltage response to this kind of test a procedure of parameters identification is applied based on the physical phenomena observed and on the use of regression equations derived directly by the measured data and fitted using the least square error method.

L’ evoluzione del mercato automobilistico è incentrata nel passaggio da veicoli alimentati da motori a combustione interna a veicoli alimentati da motori elettrici; le performance delle batterie sono il punto chiave per renderla possibile. Le batterie a ioni di Litio sono la tecnologia più promettente e probabilmente domineranno il mercato nei prossimi venti anni. La modellazione della batteria è fondamentale per la validazione virtuale, in modo da predire il comportamento della batteria ed inserirlo in un sistema di simulazione più complesso, come il sistema di trazione elettrico di un veicolo. I circuiti equivalenti sono un buon compromesso tra semplicità e prestazioni; per questo motivo sono molto utilizzati. Questo lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo di un modello di batteria agli ioni di litio del secondo ordine, ovvero un circuito con due costanti di tempo, una responsabile della dinamica veloce e una di quella lenta. La prima parte del lavoro è incentrata sull’ analisi e sulla gestione di un modello preesistente inserito in un ambiente di simulazione elettrica iniettando diversi profili di corrente per verificare l’ accuratezza del modello a confronto con dati sperimentali ricavati da una batteria agli ioni di Litio da 12 V. Successivamente è stato ricavato un nuovo modello, effettuando dei test di scarica e carica pulsata sulla batteria mensionata in precedenza. Partendo dalla tensione in uscita dalla batteria si è potuta applicare una procedura di identificazione dei parametri partendo da fenomeni fisici e da equazioni di regressione ottenute direttamente dai dati sperimentali e implementate con il metodo dei minimi quadrati