Physics based modeling of lithium-ion batteries for electrified vehicle simulations

Abstract

Lityum-iyon (Li-iyon) piller, taşınabilir ve hafif olmaları, yüksek güç yoğunluğu ve enerji kapasitesine sahip olmaları nedeniyle en umut vaad enerji depolama cihazlarından biridir. Bu nedenle, bu tür enerji depolama sistemlerinin modellenmesi önemli ve dikkat çeken bir araştırma konusu olmuştur. Sadece elektriksel olayları değil, aynı zamanda pilin özelliklerini etkileyen önemli mikro ölçekli etkileşimleri de tanımlamak için bir elektrokimyasal model yapılabilir. Böyle bir model, sistem davranışını yüksek hassasiyetle temsil edebilir, ancak birbiriyle bağlantılı çok sayıda kısmi diferansiyel denklemin çözülmesi gerektiği için yüksek bir hesaplama maliyetine sahiptir. Doğruluktan ödün vermeden hesaplamak, çözüm karmaşıklığını azaltmak ve pil özelliklerini detaylı incelemek için Li-ion pillerin basitleştirilmiş bir elektrokimyasal ve termal modeli kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.Bu çalışmanın göze çarpan özelliği, fizik tabanlı modeller kullanılarak Li-İyon pillerin performansının araştırılmasıdır. Bunun için kapasite kaybı modeli ile birleştirilmiş tek parçacık modeli (SPM) ve elektrolit dinamiği dahil edilmiş tek parçacık modeli (SPMe) fizik tabanlı modeller olarak kullanılmıştır. Modellerin verimliliğini ve performansını analiz etmek için fizik tabanlı modellere ek olarak, geleneksel ikinci dereceden eşdeğer devre modeli (ECM) oluşturulup performası fizik tabanlı modellerle karşılaştırılmıştır. Aynı zamanda, Matlab/Simulink'te dizayn edilmiş bir elektrikli araç modeli, Matlab üzerinde kurulmuş pil modelleri ile entegre edilerek belirli sürüş profili altında modellerin verdikleri cevaplar karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, fizik tabanlı modellerin, pil ömrü ve performansı hakkında daha nicel bilgi verdiğini göstermektedir.

Lithium-ion (Li-ion) batteries are one of the most promising energy storage devices because they are portable, lightweight, and have high power density and energy capacity. Hence, modeling such energy storage systems has been an essential and attractive research topic. An electrochemical model can be derived to describe not only the electrical phenomena but also significant micro-scale interactions affecting the characteristics of the battery. Such a model can represent the system behavior with high precision but has a high computational cost as it requires solving tightly-coupled partial differential equations. To mitigate the computational complexity without compromising the fidelity, a simplified electrochemical and thermal model of Li-ion batteries is extensively studied to dissect the battery characteristics. The salient feature of this study is investigating Li-Ion battery performance using physics-based models (PBMs) which are a single particle model (SPM) and SPM with electrolyte dynamics (SPMe) coupled with a capacity degradation mechanism. A conventional second-order equivalent circuit model (ECM) are built in order to compare its performance with the PBMs. The numerical performance of the models is analyzed by integrating the models into an electric vehicle model in Matlab/Simulink. The results show that the physics-based models provide quantitative information regarding solid electrolyte interface layer formation and battery status in a computationally-efficient manner.