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Battery Management Systems (BMS) for Lithium-Ion Batteries

Bibliographic Details
Summary:	O desenvolvimento de Veículos Eléctricos (EV) é na actualidade alvo dos fabricantes de automóveis e pode ser considerado como uma solução imediata para um sistema de transporte rodoviário sustentável, pela sua contribuição na redução da emissão de gases geradores do efeito de estufa. Os EVs têm como componente principal o sistema de armazenamento de energia. Este sistema envolve para além da bateria, todos os sistemas de gestão e monitorização da mesma, vulgarmente denominados pela sigla BMS do termo inglês “Battery Management System”. As baterias usadas em EVs têm exigências elevadas em termos de segurança, densidade de potência (aceleração), densidade de energia (autonomia), elevada eficiência, ciclos de descarga profundos e reduzidas taxas de auto-descarga entre outras. De entre as várias composições químicas disponíveis para a construção de baterias, as baseadas em Lítio-Ferro-Fosfato (LiFePO4), Lítio-Itrio-Ferro-Fosfato (LiYFePO4) ou Lítio-Manganésio (LiMn2O4) são as mais seguras e duradouras e como tal são estudadas no ISR-UC. Os sistemas de gestão e monitorização de energia dedicados a EVs utilizam métodos de estimação do estado de carga proprietários, não permitindo a sua utilização de forma simples nem a sua melhoria. Por este motivo foi desenvolvido no ISR uma nova solução aberta e flexível que permite estudar novos algoritmos de estimação do estado de carga. Durante esta dissertação, instalou-se e testou-se um BMS comercial na bateria de Iões de Lítio que alimenta uma das plataformas disponíveis no ISR-UC, o ISRobotCar. Uma segunda plataforma, que foi re-instrumentada no decorrer deste projecto, também necessitou de substituição das suas baterias de chumbo originais por se encontrarem em fim de vida. Devido às limitações encontradas em BMSs comerciais, desenvolveu-se de raiz um novo BMS, designado nesta dissertação por ISR-BMS, que instrumenta uma nova bateria de LiYFePO4. O estado de carga das baterias é uma informação fundamental para os utilizadores de EVs. No entanto o estado de carga não é uma grandeza mensurável e apresenta uma grande dependência da temperatura e das condições de operação da bateria. Existem várias técnicas utilizadas para a estimação do estado de carga, que requerem a utilização de modelos das células com diferentes complexidades. Para o ISR-BMS adoptou-se o modelo do circuito eléctrico equivalente e modelizou-se uma célula de Iões de Lítio de 90Ah, baseado em testes laboratoriais a diferentes temperaturas e ciclos de descarga. Após a instalação do ISR-BMS na plataforma, efectuaram-se testes de condução real com vista à validação das medições efectuadas e recolhidas do ISR-BMS.
Main Authors:	Marques, José Miguel Branco
Subject:	Sistema de Gestão de Baterias Baterias de Iões de Lítio Modelização de Células de Iões de Lítio Estimação do Estado de Carga (SOC) Battery Management Systems (BMS) Lithium-Ion Batteries Cell Modeling State of Charge (SOC)
Year:	2014
Country:	Portugal
Document type:	master thesis
Access type:	open access
Associated institution:	Universidade de Coimbra
Language:	English
Origin:	Estudo Geral - Universidade de Coimbra

Description
Summary:	O desenvolvimento de Veículos Eléctricos (EV) é na actualidade alvo dos fabricantes de automóveis e pode ser considerado como uma solução imediata para um sistema de transporte rodoviário sustentável, pela sua contribuição na redução da emissão de gases geradores do efeito de estufa. Os EVs têm como componente principal o sistema de armazenamento de energia. Este sistema envolve para além da bateria, todos os sistemas de gestão e monitorização da mesma, vulgarmente denominados pela sigla BMS do termo inglês “Battery Management System”. As baterias usadas em EVs têm exigências elevadas em termos de segurança, densidade de potência (aceleração), densidade de energia (autonomia), elevada eficiência, ciclos de descarga profundos e reduzidas taxas de auto-descarga entre outras. De entre as várias composições químicas disponíveis para a construção de baterias, as baseadas em Lítio-Ferro-Fosfato (LiFePO4), Lítio-Itrio-Ferro-Fosfato (LiYFePO4) ou Lítio-Manganésio (LiMn2O4) são as mais seguras e duradouras e como tal são estudadas no ISR-UC. Os sistemas de gestão e monitorização de energia dedicados a EVs utilizam métodos de estimação do estado de carga proprietários, não permitindo a sua utilização de forma simples nem a sua melhoria. Por este motivo foi desenvolvido no ISR uma nova solução aberta e flexível que permite estudar novos algoritmos de estimação do estado de carga. Durante esta dissertação, instalou-se e testou-se um BMS comercial na bateria de Iões de Lítio que alimenta uma das plataformas disponíveis no ISR-UC, o ISRobotCar. Uma segunda plataforma, que foi re-instrumentada no decorrer deste projecto, também necessitou de substituição das suas baterias de chumbo originais por se encontrarem em fim de vida. Devido às limitações encontradas em BMSs comerciais, desenvolveu-se de raiz um novo BMS, designado nesta dissertação por ISR-BMS, que instrumenta uma nova bateria de LiYFePO4. O estado de carga das baterias é uma informação fundamental para os utilizadores de EVs. No entanto o estado de carga não é uma grandeza mensurável e apresenta uma grande dependência da temperatura e das condições de operação da bateria. Existem várias técnicas utilizadas para a estimação do estado de carga, que requerem a utilização de modelos das células com diferentes complexidades. Para o ISR-BMS adoptou-se o modelo do circuito eléctrico equivalente e modelizou-se uma célula de Iões de Lítio de 90Ah, baseado em testes laboratoriais a diferentes temperaturas e ciclos de descarga. Após a instalação do ISR-BMS na plataforma, efectuaram-se testes de condução real com vista à validação das medições efectuadas e recolhidas do ISR-BMS.