Evaluación de Modelos de Circuitos Equivalentes para el Análisis de Carga Rápida de Baterías de Iones de Litio

Abstract

[ES] Esta tesis aborda la modelización y simulación de una célula cilíndrica de LFP. Este aspecto es de gran importancia para comprender el comportamiento térmico de las células de iones de litio. El objetivo de esta investigación es diseñar un modelo preciso que pueda utilizarse en los BMS para predecir el comportamiento de la célula, con el fin de optimizar las condiciones de carga y descarga. La metodología de ensayo consiste en una prueba de capacidad, una prueba de tensión en circuito abierto y una prueba híbrida de caracterización de potencia de impulsos para calibrar los diferentes parámetros del modelo de circuito eléctrico equivalente. Se realiza una comparación entre un modelo de primer, segundo y tercer orden. Tras la validación, con un ciclo RDE altamente dinámico, se concluye que el modelo de segundo orden es el más preciso, con un RMSE= 1,08%. Para simular el comportamiento térmico de la célula se utilizó un modelo térmico global. El modelo era una red nodal con una capacidad calorífica, un volumen y una generación de calor asignados a cada nodo. Tras la validación, la precisión del modelo resultó del 0,18% para predecir las temperaturas superficial y terminal de la célula. Por último, se realizó un análisis de carga rápida para poner de manifiesto el potencial del modelo e identificar los factores de estrés que más influyen en la célula de carga. De este análisis se desprende la evolución de la temperatura y el calor para diferentes condiciones de carga. A 3C se superan los límites de temperatura de funcionamiento, lo que indica la necesidad de refrigeración activa en este punto. Además, se observa una relación inversa entre la temperatura ambiente y la generación de calor. Por último, se ha realizado un análisis de la carga a diferentes SOC medios en el que no se han encontrado diferencias significativas en el calor generado para los diferentes casos.

[EN] This thesis deals with the modelling and simulation of a LFP cylindrical cell. This aspect is of great significance to understand the thermal behaviour of lithium-ion cells. The goal of this research is to design an accurate model that can be used in BMSs to predict the behaviour of the cell, in order to optimize charging and discharging conditions. The testing methodology consists of a capacity test, open circuit voltage test and a hybrid pulse power characterization test to calibrate the different parameters of the electric equivalent circuit model. A comparison is performed between a first, second and third order model. After validation, with a highly dynamic RDE cycle, the second order model is concluded to be the most accurate, with a RMSE= 1.08%. A lumped thermal model was used to simulate the thermal behaviour of the cell. The model was a nodal network with a heat capacity, volume and heat generation assigned to each node. After validation, the accuracy of the model resulted in 0.18% for predicting the surface and terminal temperatures of the cell. Finally, a fast-charging analysis was conducted to highlight the potential of the model and to identify the most impacting stress factors on the charging cell. From this analysis the temperature and heat evolution for different charging conditions is found. At 3C the operating temperature limits are exceeded indicating the need for active cooling at this point. Besides this, an inverse relation between the ambient temperature and heat generation is found. Finally, an analysis was dedicated to charging at different mean SOCs where no significant differences were found in the generated heat for the different cases.