Simulation of battery pack and battery thermal management system

Abstract

In this thesis, the focus is on simulating the battery pack and its thermal management system in electric vehicles. The purpose of the work is to delve into various electrical characteristics of the battery pack and their mutual interactions. Concurrently, the thesis explores the chemistry and structures of different battery cells. Battery cells are compared based on their electrical properties, lifespan, and tolerance to external stress factors. The thesis addresses battery pack thermal management systems by examining various thermal management structures that could potentially be used in vehicle technology. The practicality of these systems is evaluated, and their strengths and weaknesses are explored. Temperature and temperature differences within the battery pack are significant factors affecting its performance. Therefore, the thesis briefly explores the impact of temperature on battery operation. This portion of the work is primarily conducted through a literature review. In the simulation section, the focus shifts to simulating the battery pack using an ECM model at the battery module level. The thesis constructs a battery module from scratch based on the parameters presented in the thesis and introduces the features of the simulation program used in building the module. Multiple modules are then electrically connected to form a battery pack. Two different thermal management systems for the battery pack are simulated using the same simulation program, and their cooling efficiency is compared under two different driving cycle profiles. The results of the thermal simulation showcase the temperature variation within the battery pack over simulation time at multiple measuring points. The simulations reveal that a simple bottom cooling system is significantly more efficient and the best-performing solution according to this simulation. The results also highlight important observations related to battery charging, particularly when individual battery cells within the battery modules overcharge, leading to insights into the reasons behind this phenomenon and how it can contribute to thermal runaway. The prevention of this situation is also discussed at the end of the thesis. Additionally, the thesis examines the strengths and weaknesses of this type of simulation, and considerations for improving the simulation model are discussed. The various potential applications of such simulations are also addressed in the concluding sections

Tässä opinnäytetyössä perehdytään sähköajoneuvojen akuston ja akuston lämmönhallintajärjestelmän simuloimiseen. Työn tarkoitus on syventyä erilaisiin akuston sähköisiin ominaisuuksiin ja näiden ominaisuuksien keskinäiseen vuorovaikutukseen. Samalla opinnäytetyössä tutkitaan erilaisten akkukennojen kemioita ja rakenteita. Akkukennoja vertaillaan toisiinsa nähden sähköisten ominaisuuksien, käyttöiän ja ulkoisten stressitekijöiden sietokyvyn perusteella. Akuston lämmönhallintajärjestelmiä käsitellään opinnäytetyössä tutustumalla erilaisiin lämmönhallintarakenteisiin, joita voitaisiin potentiaalisesti käyttää ajoneuvotekniikassa. Akuston lämmönhallintajärjestelmiä arvioidaan niiden käytännöllisyyden perusteella ja perehdytään niiden heikkouksiin ja vahvuuksiin. Lämpötila ja lämpötilaerot akustossa ovat merkittäviä tekijöitä akuston toiminnan kannalta ja täten työssä perehdytään lyhyesti lämpötilan vaikutukseen akun toiminnassa. Tämä osuus työstä on suoritettu pääasiassa kirjallisuuskatsauksena. Simulaatio-osiossa perehdytään ECM-malliseen akuston simulointiin akkumoduuli tasolla. Opinnäytteessä rakennetaan akkumoduuli alusta alkaen opinnäytetyössä esiteltyjen parametrien mukaisesti ja esitellään työssä käytetyn simulaatio-ohjelman ominaisuuksia akkumoduulin rakennuksessa. Akkumoduuleista rakennetaan akusto, jossa moduulit ovat sähköisesti kytkettynä toisiinsa. Akustolle rakennetaan samassa simulaatio-ohjelmassa kaksi erilaista lämmönhallintajärjestelmää ja näiden jäähdytystehoa toisiinsa nähden vertaillaan kahdella erilaisella ajoprofiili syklillä. Lämpösimulaation tulosten käsittelyosiossa on esitelty akuston lämpötilan muuttuminensimulaatioajan funktiona useassa mittauspisteessä. Simulaatiotuloksista huomattiin, että yksinkertainen pohjasta jäähdyttävä jäähdytysjärjestelmämalli on huomattavasti tehokkaampi ja parhaiten toimiva ratkaisu tämän simulaation mukaan. Simulaatiotuloksissa havaittiin myös akun lataukseen liittyviä tärkeitä huomioita, jotka ilmenevät, kun yksittäiset akkukennot akkumoduuleissa ylilatautuvat. Tuloksissa käsitellään syitä, miksi tämänkaltainen ylilatautumisilmiö tapahtuu, ja kuinka se voi johtaa lämpöryntäysilmiöön. Tämän tilanteen estämistä käsitellään myös opinnäytetyön lopussa. Lisäksi työssä tarkastellaan tämänkaltaisen simulaation heikkouksia ja vahvuuksia, ja perehdytään siihen, kuinka simulaatiomallia voitaisiin parantaa. Erilaisia käyttökohteita, joita tämänkaltaisella simulaatiolla voi olla, käsitellään myös lopuksi.