Simulation of Three Novel BMS Strategies for Parallel Battery Packs

Nowadays, batteries play a key role in the de-carbonization of both the energy and electric mobility sectors. In the first case, batteries find suitable applications for, e.g., providing grid services (i.e., grid frequency support), while in the second case, they are typically employed as the main energy source in electric powertrains. Parallel battery connections are gaining more attention since they are crucial for applications where high power is requested because they increase capacity by boosting total current without raising voltage. This configuration enhances redundancy, as other cells continue to supply power if one fails. It offers flexibility in adding or removing cells to meet power needs and extends cell lifespan by reducing strain on individual cells. This work is motivated by the need for more cells in parallel and series to meet power requirements. While many battery management systems are designed for series cells, there are few works on parallel structure. Due to manufacturing differences and varying working conditions, parallel cells draw different currents, leading to differences in states of charge over time as cells charge/discharge, reducing the module's lifetime and performance. This study explores the possibility of implementing a BMS for parallel cells to address the cell balancing issue of this structure to improve the lifetime and performance of the system. In this thesis, three novel methods for balancing paralleled batteries with different states of charge, using MOSFETs for controlling them, are investigated and simulated using MATLAB SIMULINK. The first method is to charge/discharge the cells step by step, in the second method, all cells charge/discharge together with the same current, with the third method, all cells charge/discharge simultaneously, and the current is proportional to the cells' respective states of charge. The balancing time of cells in charging/discharging mode, the charging/discharging time of cells, the conduction losses of MOSFETs, and the cells’ current waveforms are extracted, analysed, and compared with the case where there is no management system implemented. The results show that the first method is the best one since its balancing time is lower compared to the time required by the other methods, the batteries are switched less frequently since it does not need PWM switching, and each cell is only switched up to a maximum of four times in the whole process while in other methods there is a switching frequency of 0.1 Hz, and it shows reduced conduction losses compared to the other methods.

Oggigiorno le batterie svolgono un ruolo chiave nella decarbonizzazione sia del settore dell’energia che della mobilità elettrica. Nel primo caso, le batterie trovano applicazioni adatte, ad esempio, per fornire servizi di rete (ad esempio, supporto della frequenza di rete), mentre nel secondo caso vengono tipicamente utilizzate come principale fonte di energia nei propulsori elettrici. Le connessioni parallele delle batterie stanno guadagnando sempre più attenzione poiché sono cruciali per le applicazioni in cui è richiesta elevata potenza perché aumentano la capacità aumentando la corrente totale senza aumentare la tensione. Questa configurazione migliora la ridondanza, poiché altre celle continuano a fornire alimentazione se una si guasta. Offre flessibilità nell'aggiunta o rimozione di celle per soddisfare le esigenze di alimentazione e prolunga la durata della vita delle celle riducendo la tensione sulle singole celle. Questo lavoro è motivato dalla necessità di più celle in parallelo e in serie per soddisfare i requisiti di alimentazione. Sebbene molti sistemi di gestione delle batterie siano progettati per celle in serie, sono pochi i lavori sulla struttura in parallelo. A causa delle differenze di produzione e delle diverse condizioni di lavoro, le celle parallele assorbono correnti diverse, portando a differenze negli stati di carica nel tempo mentre le celle si caricano/scaricano, riducendo la durata e le prestazioni del modulo. Questo studio esplora la possibilità di implementare un BMS per celle parallele per affrontare il problema del bilanciamento delle celle di questa struttura per migliorare la durata e le prestazioni del sistema. In questa tesi, tre nuovi metodi per bilanciare batterie in parallelo con diversi stati di carica, utilizzando MOSFET per controllarle, vengono studiati e simulati utilizzando MATLAB SIMULINK. Il primo metodo consiste nel caricare/scaricare le celle passo dopo passo, nel secondo metodo tutte le celle si caricano/scaricano insieme con la stessa corrente, con il terzo metodo tutte le celle si caricano/scaricano simultaneamente e la corrente è proporzionale alle celle rispettivi stati di carica. Il tempo di bilanciamento delle celle in modalità carica/scarica, il tempo di carica/scarica delle celle, le perdite di conduzione dei MOSFET e le forme d'onda della corrente delle celle vengono estratti, analizzati e confrontati con il caso in cui non è implementato alcun sistema di gestione. I risultati mostrano che il primo metodo è il migliore poiché il suo tempo di bilanciamento è inferiore rispetto al tempo richiesto dagli altri metodi, le batterie vengono cambiate meno frequentemente poiché non necessita di commutazione PWM e ciascuna cella viene commutata solo fino a un massimo quattro volte nell'intero processo mentre negli altri metodi si ha una frequenza di commutazione di 0,1 Hz e si presentano perdite di conduzione ridotte rispetto agli altri metodi.