Electrical and Thermal Modelling of Electric Vehicle’s Battery Package

Abstract

Nowadays, the number of electric vehicles has increased rapidly, and scientific studies have gained momentum at the same rate. Accurate analysis of the battery pack, which is one of the most critical subsystems for the electric vehicle technology, affects vital performance criteria that directly concern the user from driving performance to the range. Within the scope of this study, first degree electrical and thermal mathematical models of the lithium-ion battery cell to be used in the battery pack of the electric vehicle were created in MATLAB & SIMULINK program. The simulation outputs were verified with an approximately 0.4% error as a result of the discharge tests performed on the battery cell. The thermal model of the battery was confirmed by the thermal analysis performed in the ANSYS program, and the measurements performed with the thermal imager with a 2% error value. As a result, the mathematical model of the verified battery cell can be easily adapted to electric vehicle models, allowing theoretical simulations and algorithms to operate under operational conditions.

Keywords

• Lithum-Ion Battery,Mathematical Modelling

ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN PİL HÜCRESİNİN ELEKTRİKSEL VE TERMAL MODELİ

Abstract

Elektrikli araç sayılarının hızla arttığı günümüzde yapılan bilimsel çalışmalar da, aynı oranda bir ivme kazanmıştır. Elektrikli araç teknolojisinin yaygınlaşması için en kritik alt sistemlerden biri olan batarya paketinin doğru analiz edilmesi, sürüş performansından menzile kadar kullanıcıyı doğrudan ilgilendiren önemli performans ölçütlerine etki etmektedir. Çalışma kapsamında, elektrikli aracın batarya paketinde kullanılacak lityum iyon pil hücresinin 1. dereceden elektriksel ve termal matematik modelleri MATLAB&SIMULINK programında oluşturulmuştur. Simülasyon çıktıları, pil hücresi üzerinde yapılan deşarj (boşaltma) testleri sonucunda elde edilen değerler sonucunda yaklaşık %0.4 hata ile doğrulanmıştır. Pilin termal modeli ise ANSYS programında yapılan termal analizler ve termal kamera ile yapılan ölçümlerle yaklaşık %2 hata değeri ile doğrulanmıştır. Çalışma sonucunda doğrulanmış pil hücresinin matematik modeli, elektrikli araç modellerine kolayca uyarlanarak teorik simülasyonların ve operasyonel koşullar altında çalışacak algoritmalara uyarlanmasına olanak sağlamaktadır.

Keywords

• Lityum-İyon batarya,matematiksel modelleme

References

1. 1. Ansys, (2019). Main Page. Access address: https://www.ansys.com/ (Accessed in: 06.12.2019)
2. 2. Hu Y., Yurkovich S., Guezennec Y., Yurkovich B.J. (2011) Electro-thermal battery model identification for automotive applications. J. Power Sources. 449-457.
3. 3. Kılıç M., Yiğit A., (2010). Isı transferi. Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bursa, Türkiye, 489 s.
4. 4. Matlab&Simulink, (2019). Main Page. Access address: https://www.mathworks.com/ (Accessed in: 06.12.2019)
5. 5. Matteo Muratori, (2009). Thermal characterization of lithium-ion battery cell. Master’s Thesis. Politecnico Di Milano.
6. 6. Panasonic datasheet, (2019). Main Page. Access address: https://www.shoptronica.com /files/ Panasonic-NCR18650.pdf (Accessed in: 06.12.2019)
7. 7. Sayın, A.A.(2011) Elektrikli Renault Fluence aracı, lityum-iyon bataryasının modellenmesi ve batarya yönetimi. Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Bursa, Türkiye.
8. 8. Sayın, A.A., Yüksel, İ. (2011). Elektrikli Renault Fluence aracı, lityum-iyon bataryasının modellenmesi ve batarya yönetimi, Mühendis ve Makine, 52(616):75-82.

9. 9. Tremblay O., Dessaint L.-A., Dekkiche A.-I., (2007) A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles. Vehicle Power and Propulsion Conference.
10. 10. Zhang H., Chow M.-Y., (2010) Comprehensive dynamic battery modeling for phev applications. IEEE Power and Energy Society General Meeting.