Порівняльний аналіз електричних моделей літій-іонних акумуляторних батарей електромобілів

Автор(и)

  • Олег Смирнов Харківський національний автомобільно-дорожній університет, 61002, Україна, м. Харків, вул. Ярослава Мудрого, 25. , Україна https://orcid.org/0000-0003-4881-9042
  • Анна Борисенко Харківський національний автомобільно-дорожній університет, 61002, Україна, м. Харків, вул. Ярослава Мудрого, 25, Україна https://orcid.org/0000-0001-5992-8274

DOI:

https://doi.org/10.30977/VEIT.2023.24.0.5

Ключові слова:

електромобіль, літій-іонна акумуляторна батарея, електрична модель, ефективність, стан заряду, система накопичення енергії, деградація

Анотація

Стаття присвячена проблемі підвищення екологічності та енергоефективності транспортних засобів за рахунок проведення порівняльного аналізу електричних моделей літій-іонних акумуляторних батарей електромобілів. У дослідженні проведений аналіз відомих електричних моделей літій-іонних акумуляторних батарей: модель Rint, модель RC, модель Thevenin, моделі PNGV. Досліджені моделі деградації акумуляторних батарей за зменшенням ємності та зростанням активного опору. Обґрунтовані напрями удосконалення електричних моделей літій-іонних акумуляторних батарей електромобілів шляхом врахування зміни величин ємності, внутрішнього опору та опору поляризації, календарної та циклічної деградації.

Посилання

  1. Hill, G., Heidrich, O., Creutzig, F., & Blythe, P. (2019). The role of electric vehicles in near-term mitigation pathways and achieving the UK’s carbon budget. Applied Energy, 251, 113111. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.107
  2. Linn, J., & McConnell, V. (2019). Interactions between federal and state policies for reducing vehicle emissions. Energy Policy, 126, 507–517. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2018.10.052
  3. Dhar, S., Pathak, M., & Shukla, P. R. (2017). Electric vehicles and India's low carbon passenger transport: a long-term co-benefits assessment. Journal of Cleaner Production, 146, 139–148. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.05.111
  4. Hao, H., Geng, Y., & Sarkis, J. (2016). Carbon footprint of global passenger cars: Scenarios through 2050. Energy, 101, 121–131. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.01.089
  5. Lu, L., Han, X., Li, J., Hua, J., & Ouyang, M. (2013). A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles. Journal of Power Sources, 226, 272–288. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.10.060
  6. Eldeeb, H. H., Elsayed, A. T., Lashway, C. R., & Mohammed, O. (2019). Hybrid Energy Storage Sizing and Power Splitting Optimization for Plug-In Electric Vehicles. IEEE Transactions on Industry Applications, 55(3), 2252–2262. https://doi.org/10.1109/tia.2019.2898839
  7. Farhadi, M., & Mohammed, O. (2016). Energy Storage Technologies for High-Power Applications. IEEE Transactions on Industry Applications, 52(3), 1953–1961. https://doi.org/10.1109/tia.2015.2511096
  8. Bongartz, L., Shammugam, S., Gervais, E., & Schlegl, T. (2021). Multidimensional criticality assessment of metal requirements for lithium-ion batteries in electric vehicles and stationary storage applications in Germany by 2050. Journal of Cleaner Production, 292, 126056. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126056
  9. Urquizo, J., & Singh, P. (2023). A review of health estimation methods for Lithium-ion batteries in Electric Vehicles and their relevance for Battery Energy Storage Systems. Journal of Energy Storage, 73, 109194. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109194
  10. Khan, F. M. N. U., Rasul, M. G., Sayem, A. S. M., & Mandal, N. (2023). Maximizing energy density of lithium-ion batteries for electric vehicles: A critical review. Energy Reports, 9, 11–21. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.08.069
  11. Hytowitz, A. N. (2023). Review of using the Dyop optotype for acuity and refractions per the article: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1888429622000656. Journal of Optometry. https://doi.org/10.1016/j.optom.2022.12.002
  12. Selvaraj, V., & Vairavasundaram, I. (2023). A comprehensive review of state of charge estimation in lithium-ion batteries used in electric vehicles. Journal of Energy Storage, 72, 108777. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108777
  13. Rauf, H., Khalid, M., & Arshad, N. (2023). A novel smart feature selection strategy of lithium-ion battery degradation modelling for electric vehicles based on modern machine learning algorithms. Journal of Energy Storage, 68, 107577. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107577
  14. Wassiliadis, N., Kriegler, J., Gamra, K. A., & Lienkamp, M. (2023). Model-based health-aware fast charging to mitigate the risk of lithium plating and prolong the cycle life of lithium-ion batteries in electric vehicles. Journal of Power Sources, 561, 232586. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232586
  15. Ando, K., Matsuda, T., & Imamura, D. (2018). Degradation diagnosis of lithium-ion batteries with a LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 and LiMn2O4 blended cathode using dV/dQ curve analysis. Journal of Power Sources, 390, 278–285. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.04.043
  16. Lewerenz, M., Münnix, J., Schmalstieg, J., Käbitz, S., Knips, M., & Sauer, D. U. (2017). Systematic aging of commercial LiFePO4 |Graphite cylindrical cells including a theory explaining rise of capacity during aging. Journal of Power Sources, 345, 254–263. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.01.133
  17. Li, P., Zhang, Z., Xiong, Q., Ding, B., Hou, J., Luo, D., Rong, Y., & Li, S. (2020b). State-of-health estimation and remaining useful life prediction for the lithium-ion battery based on a variant long short term memory neural network. Journal of Power Sources, 459, 228069. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228069
  18. Hossain, E., Murtaugh, D., Mody, J., Faruque, H. M. R., Haque Sunny, M. S., & Mohammad, N. (2019). A Comprehensive Review on Second-Life Batteries: Current State, Manufacturing Considerations, Applications, Impacts, Barriers & Potential Solutions, Business Strategies, and Policies. IEEE Access, 7, 73215–73252. https://doi.org/10.1109/access.2019.2917859
  19. He, H., Xiong, R., & Fan, J. (2011). Evaluation of Lithium-Ion Battery Equivalent Circuit Models for State of Charge Estimation by an Experimental Approach. Energies, 4(4), 582–598. https://doi.org/10.3390/en4040582
  20. Avadikyan, A., & Larrue, P. (2003). The Partnership for a New Generation of Vehicles and the US DoE Transportation Fuel Cells Programme. У The Economic Dynamics of Fuel Cell Technologies (с. 133–158). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-24822-4_6
  21. Electrically propelled road vehicles —Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems — Part 4: Performance testing (ISO 12405-4:2018). (2018). https://www.iso.org/standard/55854.html
  22. da Silva, S. F., Eckert, J. J., Corrêa, F. C., Silva, F. L., Silva, L. C. A., & Dedini, F. G. (2022b). Dual HESS electric vehicle powertrain design and fuzzy control based on multi-objective optimization to increase driving range and battery life cycle. Applied Energy, 324, 119723. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.119723
  23. On the Ageing of High Energy Lithium-Ion Batteries—Comprehensive Electrochemical Diffusivity Studies of Harvested Nickel Manganese Cobalt Electrodes. (2018). Materials, 11(2), 176. https://doi.org/10.3390/ma11020176
  24. Jiang, J., & Zhang, C. (2015). Fundamentals and Applications of Lithium-Ion Batteries in Electric Drive Vehicles. Wiley & Sons, Limited, John.
  25. Assunção, A., Moura, P. S., & de Almeida, A. T. (2016). Technical and economic assessment of the secondary use of repurposed electric vehicle batteries in the residential sector to support solar energy. Applied Energy, 181, 120–131. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.08.056
  26. Adnan Khan, M. S., Kadir, K. M., Mahmood, K. S., Ibne Alam, M. I., Kamal, A., & Al Bashir, M. M. (2019). Technical investigation on V2G, S2V, and V2I for next generation smart city planning. Journal of Electronic Science and Technology, 17(4), 100010. https://doi.org/10.1016/j.jnlest.2020.100010
  27. İnci, M., Savrun, M. M., & Çelik, Ö. (2022). Integrating electric vehicles as virtual power plants: A comprehensive review on vehicle-to-grid (V2G) concepts, interface topologies, marketing and future prospects. Journal of Energy Storage, 55, 105579. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105579
  28. Borge-Diez, D., Icaza, D., Açıkkalp, E., & Amaris, H. (2021b). Combined vehicle to building (V2B) and vehicle to home (V2H) strategy to increase electric vehicle market share. Energy, 237, 121608. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121608
  29. Uddin, K., Jackson, T., Widanage, W. D., Chouchelamane, G., Jennings, P. A., & Marco, J. (2017). On the possibility of extending the lifetime of lithium-ion batteries through optimal V2G facilitated by an integrated vehicle and smart-grid system. Energy, 133, 710–722. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.04.116
  30. Timilsina, L., Badr, P. R., Hoang, P. H., Ozkan, G., Papari, B., & Edrington, C. S. (2023). Battery Degradation in Electric and Hybrid Electric Vehicles: A Survey Study. IEEE Access, 1. https://doi.org/10.1109/access.2023.3271287
  31. Meng, J., Cai, L., Stroe, D.-I., Luo, G., Sui, X., & Teodorescu, R. (2019). Lithium-ion battery state-of-health estimation in electric vehicle using optimized partial charging voltage profiles. Energy, 185, 1054–1062. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.127
  32. Jin, X. (2022). Aging-Aware optimal charging strategy for lithium-ion batteries: Considering aging status and electro-thermal-aging dynamics. Electrochimica Acta, 407, 139651. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139651
  33. Saldana, G., Martin, J. I. S., Zamora, I., Asensio, F. J., Onederra, O., & Gonzalez, M. (2020). Empirical Electrical and Degradation Model for Electric Vehicle Batteries. IEEE Access, 8, 155576–155589. https://doi.org/10.1109/access.2020.3019477
  34. Wang, D., Coignard, J., Zeng, T., Zhang, C., & Saxena, S. (2016). Quantifying electric vehicle battery degradation from driving vs. vehicle-to-grid services. Journal of Power Sources, 332, 193–203. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.09.116
  35. Ng, K. S., Moo, C.-S., Chen, Y.-P., & Hsieh, Y.-C. (2009). Enhanced coulomb counting method for estimating state-of-charge and state-of-health of lithium-ion batteries. Applied Energy, 86(9), 1506–1511. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.11.021
  36. Uddin, K., Dubarry, M., & Glick, M. B. (2018). The viability of vehicle-to-grid operations from a battery technology and policy perspective. Energy Policy, 113, 342–347. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2017.11.015
  37. EV Battery Health: What 6,000 EV Batteries Tell Us | Geotab. (2020). Geotab. https://www.geotab.com/blog/ev-battery-health/

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-12-25

Як цитувати

Смирнов, О., & Борисенко, А. (2023). Порівняльний аналіз електричних моделей літій-іонних акумуляторних батарей електромобілів. Автомобіль і електроніка. Сучасні технології, (24), 50–61. https://doi.org/10.30977/VEIT.2023.24.0.5

Номер

№ 24 (2023)

Розділ

ШЛЯХИ ПОКРАЩЕННЯ ЕКОНОМІЧНИХ І ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ. ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ ТЕХНОЛОГІЇ

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Олег Смирнов, Анна Борисенко

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.