Splitting Approach: a new balancing technique for parallel-connected cells

Batteries play a fundamental role in modern technology, from small electronic devices to large-scale energy storage systems. Battery systems are composed by multiple battery cells connected together. In the literature, the issues that may arise when multiple batteries are connected together, both in series and in parallel, are well studied. Series connections are widely addressed by dedicated devices designed to reduce the impact of these issues, extend the lifespan, and guarantee the safety of the battery pack. For parallel connections several systems have been proposed to balance the batteries, usually when they are in an idle phase. However, these solutions often require numerous components or complex architectures. In this work, a new approach called “Splitting Approach” is proposed. It aims to regulate the currents during the discharge phase by modulating them as a function of specific parameters that take into account internal characteristics of the batteries. The proposed approach is simulated in the Simulink environment using a four-cells parallel module model with a controlled current source as the load. The current is extracted from a power profile which simulates the behaviour of an electric bicycle under a real-world conditions. The electric model used for the cell is a Thevenin-based model with two RC pairs. It is parametrised based on tests performed on NMC cells and validated with the results of “cycle tests” done on those same cells.

Le batterie giocano un ruolo fondamentale nelle tecnologie moderne, da piccoli dispositivi elettronici fino a sistemi di accumulo su larga scala. I sistemi di accumulo a batteria sono composti da numerose batterie connesse in serie e/o parallelo. Nella letteratura scientifica, i problemi derivanti dalla connessione di più batterie sono studiati approfonditamente. Le connessioni in serie sono correttamente gestite da dispositivi dedicati, progettati per ridurre l’impatto dei sopracitati problemi, garantire il funzionamento in sicurezza e aumentare la vita utile del pacco batteria. Per quanto riguarda le connessioni in parallelo, vi sono in letteratura diversi approcci e sistemi per gestirne i problemi, solitamente applicati durante le fasi di inutilizzo del pacco batteria. Spesso, tuttavia, questi approcci richiedono l’utilizzo di diversi dispositivi o la realizzazione di strutture molto complesse. In questo elaborato viene proposto un nuovo approccio chiamato “Splitting Approach”. Questa strategia ha l’obiettivo di regolare le correnti, durante la fase di scarica, in funzione di specifici parametri definiti in considerazione delle caratteristiche interne delle celle. L’approccio proposto è stato simulato e sviluppato nell’ambiente Simulink, utilizzando come modello un modulo composto da quattro celle connesse in parallelo. Per il carico è stata utilizzata una sorgente di corrente controllata. Il profilo di corrente del carico è stato estratto da un profilo di potenza; quest’ultimo simula il comportamento reale di una bicicletta elettrica. Il modello utilizzato per la cella è un modello basato sul modello Thevenin con due coppie RC. Tale modello è stato parametrizzato utilizzando i risultati ottenuti da test eseguiti su celle NMC, e successivamente validato utilizzando dei profili misurati durante dei “Cycle tests” eseguiti sulle medesime celle.