Modellazione di batterie

Modellare batterie per la progettazione di sistemi a batteria

I modelli di batteria sono diventati uno strumento indispensabile per la progettazione di sistemi alimentati a batteria. Vengono utilizzati per molteplici scopi tra cui la caratterizzazione della batteria, la stima dello stato di carica (SOC) e delle condizioni operative (SOH), lo sviluppo di algoritmi, l'ottimizzazione a livello di sistema e la simulazione in tempo reale per la progettazione di sistemi di gestione della batteria.

Per lo sviluppo a livello di sistema e le applicazioni di controllo si predilige l’utilizzo di modelli di batteria basati su circuiti equivalenti per via della loro relativa semplicità. Gli ingegneri utilizzano circuiti equivalenti per modellare il comportamento termoelettrico delle batterie, parametrizzando i loro elementi non lineari con tecniche di correlazione che combinano modelli e misure sperimentali tramite l'ottimizzazione.

Circuito equivalente di una batteria con tre diverse costanti di tempo, resistenza interna e potenziale a circuito aperto.

Caratterizzazione della batteria

La prima fase dello sviluppo di un modello di batteria accurato prevede la costruzione e la parametrizzazione di un circuito equivalente che rifletta il comportamento non lineare della batteria e le dipendenze su temperatura, SOC, SOH e corrente. Tali dipendenze sono proprie della chimica di ogni batteria e devono essere determinate utilizzando le misurazioni eseguite su celle della batteria dello stesso tipo di quelle per le quali il controller è stato progettato. Alcuni esempi di modelli di batteria sono scaricabili da MATLAB Central.

Risposta in tensione (in alto) a una scarica di corrente a impulsi (al centro) e conseguente SOC (in basso) per una batteria agli ioni di litio NMC.

Stima dello stato di carica (SOC)

Una comune applicazione dei modelli di batteria consiste nello sviluppo di algoritmi per la stima del SOC. La misurazione della tensione a circuito aperto (OCV) e l'integrazione della corrente (conteggio dei coulomb) possono fornire stime ragionevoli per il SOC. Tuttavia, per stimare il SOC nelle attuali chimiche delle batterie con firme di scarica OCV-SOC piatte, è necessario utilizzare un approccio diverso, come ad esempio il filtraggio di Kalman.

Degrado

Le batterie si degradano nel tempo sia a causa del loro naturale invecchiamento  che dei cicli di scarica-carica, mostrando una perdita graduale della capacità di riserva e un aumento della resistenza interna. Il sistema di gestione della batteria (BMS) deve adattarsi a questi cambiamenti per un controllo efficace della batteria. I modelli di batteria possono aiutarti a sviluppare un BMS che tenga conto del degrado.

Degrado progressivo di una batteria agli ioni di litio che si riflette sull’aumento della resistenza interna (R0) e delle costanti di tempo (τ1 , τ2 , τ3) con una variazione minima del potenziale a circuito aperto (Em).

Simulazione in tempo reale

Il test hardware-in-the-loop di un BMS è un’altra comune applicazione dei modelli di batteria. Un modello di batteria costruito per la progettazione a livello di sistema può essere riutilizzato per la simulazione in tempo reale.

Per ulteriori informazioni sulla modellazione di batterie, vedi gli esempi, i webinar e i documenti di conferenze qui sotto, che prevedono l’utilizzo dei prodotti MATLAB® e Simulink®.

Sviluppare un Battery Management System (BMS) con Simulink

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