Optimalizace doby nabíjení elektromobilů pomocí rychlonabíječek DC

Abstract

Rostoucí elektrifikace vozového parku učinila zkrácení doby nabíjení jednou z hlavních výzev pro zlepšení zákaznické zkušenosti. Jedním z řešení je rychlé nabíjení stejnosměrným proudem, které nabízí nejkratší dobu nabíjení díky vysokému výkonu, ale může způsobit značné tepelné namáhání baterie, což může mít vliv na její dlouhodobou životnost. Většina strategií řízení tepla používaných v současnosti je navržena z důvodu bezpečnosti a spolehlivosti, často nedosahuje plného nabíjecího potenciálu baterie, což vede k dlouhým dobám nabíjení. Cílem této práce je vyvinout strategii řízení tepla, která co nejvíce zkrátí dobu nabíjení a zároveň bude respektovat nezbytná teplotní, chemická nebo elektrická omezení, aby nedošlo k poškození žádných komponentů zapojených do rychlého nabíjení. Cílem je přiblížit se maximálnímu potenciálu článků a přizpůsobit tuto strategii jakémukoli typu baterie. První část práce se zaměřuje na vytvoření modelu nabíjení, který dokáže správně simulovat chování baterie během rychlého nabíjení stejnosměrným proudem. Poté se tato práce zaměřuje na vytvoření optimalizačního algoritmu, který je zodpovědný za nalezení nejlepší možné strategie nabíjení. Budou zváženy dva samostatné případy použití: když nabíjecí stanice omezuje nabíjecí výkon, nebo když je omezením pouze chemické složení baterie. Cílem je vytvořit kód, který se dokáže přizpůsobit několika nabíjecím situacím (počáteční teploty, počáteční a cílové SOC, vlastnosti baterie, vlastnosti tepelného obvodu pro ohřev nebo chlazení baterie) bez ohrožení bezpečnosti a spolehlivosti baterie.

The growing electrification of the vehicle fleet has made charging time reduction one of the main challenges to help improve the customer experience. One solution is fast DC charging, offering the lowest charging times due to their high powers, but it can put significant thermal stresses in the battery which can impact its long-term health. Most of the thermal management strategies used nowadays are designed for safety and reliability purposes, often not reaching the batterys full charging potential, resulting in long charging times. The aim of this thesis is to develop a thermal management strategy that reduces the charging time as much as possible, while still respecting the necessary thermal, chemical or electrical constraints to avoid damaging any components involved during a fast charge. The idea is to get closer to the maximal potential of the cells and to adapt this strategy to any battery type. The first part of the work focuses on building a charge model able to properly simulate the battery behavior during fast DC charges. Then, this thesis focuses on the creation of an optimization algorithm, responsible for finding the best possible charging strategy. Two separate use cases will be considered: when the charging station is limiting the charging power, or when it is the battery chemistry alone which is limiting. The goal is to build a code that can adapt to several charging situations (initial temperatures, initial and target SOC, battery characteristics, thermal circuit characteristics for battery heating or cooling) without compromising battery safety and reliability.