Battery emulator operating in a power hardware-in-the-loop simulation: the concept of hybrid battery emulator

Abstract

This thesis presents the design and implementation of a Battery Emulator (BE) operating in a Power Hardware-in-the-Loop Simulation and introduces the concept of the Hybrid Battery Emulator (H-BE). There are three major research areas: battery modelling, battery monitoring algorithms and power interface of the device implementing the emulator. Findings from all these areas are combined in the Hybrid Battery Emulator. Three battery models are implemented and compared: the Equivalent Circuit (ECM), the Kinetic (KiBaM) and the Diffusion. The comparison shows that the Diffusion model requires much higher computational power and thus, it is less suitable for a real-time application. Concerning the other two, the KiBaM is simpler to configure but the ECM exhibits higher simulation accuracy. The conducted sensitivity analysis reveals that the most important parameter for simulation accuracy is the state-ofcharge (SoC). The method proposed to increase the SoC accuracy is a Sliding Mode Observer, which compares the measured voltage from a real cell with the one estimated by the battery model, and adjusts the SoC accordingly.In order to demonstrate the potential of this application, an off-the-shelf power supply is used for implementing the BE. A stability analysis is conducted revealing that a series resistor has to be connected at the output of the power supply, and the conditions that this resistor has to obey are derived.Two implementations of the Hybrid Battery Emulator are shown. In both of them, a single cell of the battery pack is connected in series with the power device emulating the remaining cells. In the first implementation, a battery model provides the reference voltage to the power supply, and measurements from the real cell are used for updating the model parameters. The experiments reveal that the SoC errors are reduced and that the emulation accuracy is considerably increased. In the second method, there is no battery model. The real cell voltage is measured, multiplied and set as a reference to the power supply. This implementation exhibits higher accuracy but it is not suggested because it provides no information on the battery status. Finally, an alternative H-BE implementation is suggested for future work in which, the real cell is operated in a parallel experiment with a scaled-down current.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός Εξομοιωτή Μπαταριών (Battery Emulator - BE) που λειτουργεί σε Περιβάλλον Προσομοίωσης Ισχύος (Power Hardware-in-the-Loop Simulation – PHIL) και εισάγεται η ιδέα του Υβριδικού Εξομοιωτή Μπαταριών (Hybrid Battery Emulator – ΗΒΕ). Η έρευνα επικεντρώθηκε σε τρεις κύριους τομείς: μοντελοποίηση μπαταρίας, αλγόριθμοι παρακολούθησης μπαταρίας και διεπαφή ισχύος της συσκευής που υλοποιεί τον εξομοιωτή. Τα ευρήματα από όλους τους ανωτέρω τομείς συνδυάζονται στον Υβριδικό Εξομοιωτή Μπαταριών (HBE).Εφαρμόζονται και συγκρίνονται τρία μοντέλα μπαταριών: το Ισοδύναμο Κύκλωμα (Equivalent Circuit Model - ECM), το Κινητικό (Kinetic Battery Model - KiBaM) και η Διάχυση (Diffusion). Η σύγκριση δείχνει ότι το μοντέλο Διάχυσης απαιτεί πολύ υψηλότερη υπολογιστική ισχύς και επομένως, είναι λιγότερο κατάλληλο για εφαρμογή σε πραγματικό χρόνο. Όσον αφορά τα άλλα δύο, το KiBaM είναι πιο απλό στην παραμετροποίηση, αλλά το ECM παρουσιάζει μεγαλύτερη ακρίβεια κατά την προσομοίωση. Η ανάλυση ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκε, αποκαλύπτει ότι η πιο σημαντική παράμετρος για την ακρίβεια της προσομοίωσης είναι το Επίπεδο Φόρτισης (State of Charge - SoC). Η μέθοδος που προτείνεται για την αύξηση της ακρίβειας του Επίπεδου Φόρτισης (SoC) είναι ένας Παρατηρητής Λειτουργίας με την μέθοδο της Ολίσθησης (Sliding Mode Observer), ο οποίος συγκρίνει τη μετρούμενη τάση από μια πραγματική κυψέλη με την τάση που υπολογίζεται από το μοντέλο της μπαταρίας και προσαρμόζει το Επίπεδο Φόρτισης (SoC) αναλόγως.Για την επίδειξη των δυνατοτήτων αυτής της εφαρμογής, χρησιμοποιείται κοινό τροφοδοτικό του εμπορίου το οποίο υλοποιεί την Εξομοιωτή Μπαταριών (ΒΕ). Από την ανάλυση ευστάθειας που πραγματοποιήθηκε, προκύπτει η ανάγκη σύνδεσης μιας αντίσταση σε σειρά με την έξοδο του τροφοδοτικού καθώς και το αποδεκτό εύρος τιμών της υπόψη αντίστασης. Παρουσιάζονται δύο υλοποιήσεις του Υβριδικού Εξομοιωτή Μπαταριών (HBE). Και στις δύο υλοποιήσεις, ένα μόνο κελί από τη συστοιχία της μπαταρίας είναι συνδεδεμένο σε σειρά με τη συσκευή η οποία εξομοιώνει τα υπόλοιπα κελιά. Κατά την πρώτη υλοποίηση, ένα μοντέλο μπαταρίας παρέχει την τάση αναφοράς στο τροφοδοτικό που υλοποιεί τον εξομοιωτή και οι μετρήσεις από το εν σειρά συνδεδεμένο κελί χρησιμοποιούνται για την ενημέρωση των παραμέτρων του μοντέλου. Τα πειράματα αποκαλύπτουν ότι τα σφάλματα στο Επίπεδο Φόρτισης (SoC) μειώνονται και ότι η ακρίβεια εξομοίωσης αυξάνεται σημαντικά. Στη δεύτερη μέθοδο, δεν υπάρχει μοντέλο μπαταρίας. Η πραγματική τάση του εν σειρά συνδεδεμένου κελιού μετράται, πολλαπλασιάζεται και ορίζεται ως αναφορά στο τροφοδοτικό που υλοποιεί τον εξομοιωτή. Αυτή η υλοποίηση παρουσιάζει μεγαλύτερη ακρίβεια αλλά δεν προτείνεται γιατί δεν παρέχει πληροφορίες για την κατάσταση της μπαταρίας. Τέλος, προτείνεται ως μελλοντική εργασία μια εναλλακτική υλοποίηση Υβριδικού Εξομοιωτή Μπαταριών (HBE), στην οποία ένα κελί από τη συστοιχία της μπαταρίας λειτουργεί σε ένα παράλληλο πείραμα με μειωμένο ρεύμα.