Riassunto analitico
Scopo di questo lavoro di tesi è la modellazione e la caratterizzazione sperimentale del comportamento elettrico della cella cilindrica agli ioni di litio Sony/Murata US18650VTC6 utilizzata nel pacco batteria della vettura ibrida M23-H da Formula Student del team MoRe Modena Racing. La modellazione della cella è stata effettuata tramite un circuito elettrico equivalente implementato in Matlab/Simulink in grado di replicare il comportamento dinamico in fase di scarica della cella; in particolare sono stati adottati e confrontati i modelli di Thevenin del primo e del secondo ordine. I parametri elettrici del circuito equivalente sono stati ricavati sperimentalmente attraverso test di scarica a corrente costante e test ad impulsi di corrente realizzati sulla singola cella. È stata quindi definita la procedura con cui ricavare i parametri del modello ed è stata quantificata l’influenza della corrente di scarica sui risultati ottenuti. In tutti i test effettuati, oltre alla misura dei parametri elettrici di tensione e corrente, è stata misurata la temperatura in diverse parti del corpo della cella, la temperatura dei terminali di connessione dello strumento di test e la temperatura ambiente; questo ha permesso di eseguire i test in condizioni di sicurezza e di definire la temperatura a cui vengono stimati i parametri elettrici del modello della cella. È stato inoltre sviluppato uno script in ambiente Matlab che permette all’utente di ricavare i parametri da inserire nel modello simulativo a circuito equivalente in modo veloce ed automatizzato, a partire dai dati sperimentali. Infine, è stato validato il modello elettrico simulativo della cella confrontando i dati sperimentali con i risultati delle simulazioni. I risultati mostrano che il modello replica accuratamente il comportamento dinamico in fase di scarica della singola cella nel range di confidenza 90-20 % di SOC: l’errore percentuale si mantiene al disotto del 1.2 % nei test di scarica a corrente costante, e si mantiene al disotto del 3.5 % nei test di scarica ad impulsi di corrente.
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Abstract
The purpose of this thesis is the modeling and experimental characterization of the electrical behavior of the Sony/Murata US18650VTC6 lithium-ion cylindrical cell used in the battery pack of the M23-H hybrid car built by MoRe Modena Racing Formula Student team.
The modeling of the cell was performed through an equivalent electric circuit implemented in Matlab/Simulink capable to replicating the dynamic behavior of the cell in the discharge phase; in particular, the Thevenin models of the first and second order have been adopted and compared.
The electrical parameters of the equivalent circuit have been obtained experimentally through constant current discharge tests and current pulse tests carried out on the single cell. The procedure with which to obtain the model parameters was then defined and the influence of the discharge current on the results obtained was quantified.
In all the tests carried out, in addition to measuring the electrical parameters of voltage and current, the temperature was measured in different parts of the cell body, the temperature of the connection terminals of the test instrument and the ambient temperature; this made it possible to carry out the tests in safe conditions and to define the temperature at which the electrical parameters of the cell model are estimated.
A script has also been developed in the Matlab environment which allows the user to obtain the parameters to be inserted in the equivalent circuit simulation model in a fast and automated way, starting from the experimental data.
Finally, the electrical simulation model of the cell was validated by comparing the experimental data with the results of the simulations. The results show that the model accurately replicates the dynamic behavior in the discharge phase of the single cell in the 90-20% confidence range of SOC: the percentage error remains below 1.2% in the constant current discharge tests, and maintains below 3.5% in current pulse discharge tests.
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