Přizpůsobitelný elektrický model lithium-iontové baterie

Abstract

Diplomová práce se zabývá návrhem univerzálního diskrétního matematického modelu bateriového packu včetně battery management systému (BMS), který může mimo jiné sloužit k simulacím při optimalizacích designu různých bateriových úložišť. V rešeršní části jsou popsány vlastnosti lithium-iontových článků, jejich různá zapojení do packů a klíčová role BMS při správě bateriových systémů. Na základě elektrického modelu se dvěma RC členy je vytvořen diskrétní matematický model, který umožňuje simulaci libovolného počtu článků zapojených sériově i paralelně. Každý článek je modelován samostatně, což zajišťuje vysokou flexibilitu modelu. Matematický model je ještě doplněn o model BMS včetně balanceru. Model byl dále rozšířen o možnost simulace více bateriových packů zapojených paralelně. Validace probíhala na několika konfiguracích (4s3p, 4s1p, 2s2p a 2p2s), přičemž dosažené hodnoty střední kvadratické chyby potvrzují přesnost modelu. V přepočtu na sériově zapojený článek nebo skupinu článků odpovídají chybám simulací jednotlivých článků, což lze považovat za příznivý výsledek. V závěru práce jsou prezentovány Monte Carlo simulace, které analyzují vliv rozložení kapacity, vnitřního odporu R a Coulombické efektivity na konfigurace 4s4p a 4p4s, včetně posouzení dopadu poruchy kapacity nebo R jediného článku na jednotlivá zapojení.

This thesis focuses on the design of a universal discrete mathematical model of a battery pack, including a battery management system (BMS), which can be used for simulations to optimize the design of various battery storage systems. The research section describes the characteristics of lithium-ion cells, different battery pack configurations, and the key role of BMS in managing battery systems. Based on an electrical model with two RC elements, a discrete mathematical model is developed that allows the simulation of any number of cells connected in series and parallel. Each cell is modeled individually, ensuring high flexibility. The mathematical model is further enhanced with a BMS model, including a balancer. Additionally, the model has been extended to allow the simulation of multiple battery packs connected in parallel. Validation was conducted on several configurations (4s3p, 4s1p, 2s2p, and 2p2s), with the obtained root mean square error values confirming the accuracy of the model. When recalculated to a single series-connected cell or group of cells, the errors correspond to individual cell simulations, which can be considered a favorable result. Finally, Monte Carlo simulations are presented, analyzing the impact of capacity distribution, internal resistance R, and Coulombic efficiency on the 4s4p and 4p4s configurations, including an assessment of the effects of capacity or R failure in a single cell on the entire connection.