دانلود رایگان مقاله ارزیابی فنی و مدل سازی باتری های لیتیوم-یون برای وسایل نقلیه برقی
«به عنوان یک کشوری که دارای 2 درصد مخازن نفتی جهان است اما 20 درصد نفت جهان را مصرف می کند – قصد دارم این را تکرار کنم – 2 درصد مخازن نفتی جهان را داریم؛ 20 درصد استفاده می کنیم. این به چه معنی است، به همان میزان که تلاش می کنیم تا تولید نفت را افزایش دهیم، قادر نخواهیم بود تا خود را از شرایط سخت قیمت های بالای گاز نجات دهیم. هرکسی غیر از این را به شما بگوید یا نمی داند که درباره چه چیزی صحبت می-کند یا اینکه حقیقت را به شما نمی گویند.»
1. مقدمه
1.1. انگیزش
زغال سنگ محور اصلی انقلاب صنعتی قرون 18ام و 19ام بوده است. با ظهور حمل و نقل جاده ای (اتومبیل) و هوایی، نفت به عنوان سوخت غالب در طول قرن بیستم تبدیل گردید. در سال 2009، مصرف نفت جهان روزانه در حدود 5/84 میلیون بشکه (حدود 88 میلیون بشکه در سال 2011) بود که 35 درصد آن سهم حمل و نقل زمینی بود (BP, 2012)، (IEA, 2012).
برخی محققان بحث می کنند که نفت تولید شده از منابع معمول در حدود 50 درصد تا سال 2030 کاهش خواهد یافت (دبیلیو. زیتل، 2007 ) بدون اینکه نرخ مصرف کاهش یابد.علاوه بر منابع سوخت فسیلی محدود، نگرانی رو به رشد اخیر درباره پیامد زیست محیطی استفاده از مواد نفتی (پترولیوم) نیاز برای استفاده از منابع انرژی جایگزین و وسایل نقلیه برقی (الکتریکی) را الزامی نموده است.
برخلاف این پیشینه، این کاملا واضح است جامعه مدرن ملزم خواهد بود تا با تغییر ناگهانی و شدید در شیوه ای روبرو شود که انرژی در دسترس را در سالهای آتی تولید و به مصرف می رساند.متعاقباً، امروزه همچنین فشار فزآینده سیاسی برای تولید و استفاده از انرژی «سبز» وجود دارد.اگرچه یک تعداد راه حل محتمل برای چالش حمل و نقل وجود دارد، همانند استفاده از سوختهای زیستی و هیدروژن، بسیاری بر این باور هستند که هیبریدسازی و برقی سازی وسایل نقلیه بهترین روش ها برای حل و فصل این مسئله هستند که صنعت حمل و نقل با آن روبرو خواهد شد (دی. چوی، 2011) و (پیرسون، 2010).
باتریها یکی از چالشهای اصلی هستند که صنعت خودرو ملزم تا به منظور ایجاد تغییر مثبت به آن غلبه کند.
شرکتهای خودروسازی به طور گسترده از باتریهای NiMH برای وسایل نقلیه هیبرید در دهه اخیر استفاده کردند و این باتریها هنوز به دلیل هزینه پایین بر هر وات توان مورد استفاده قرار می گیرند. به هر حال، طیف عملیاتی SOC محدود و چگالی انرژی پایین آنها را برای وسایل نقلیه برقی (EVs) نامناسب ساخته اند (بروزلی ، 2010).
وسایل نقلیه برقی باید قادر باشند تا طیف رانندگی، شتاب و طول عمر بالا فراهم کنند. آنها همچنین باید قادر باشند تا شارژرهای توان بالا را از ترمزگیری احیاء کننده و ایستگاههای شارژ سریع بپذیرند. این موارد چالشهایی هستند که به سختی برای اکثریت دستگاههای ذخیره سازی انرژی موجود قابل دستیابی هستند.
راه حل به نظر می رسد که از تکنولوژی باتری لیتیوم-یون حاصل شود. باتریهای لیتیوم-یون به طور گسترده در تجهیزات قابل حمل همانند تلفنهای همراه و کامپیوترهای لپ تاپ مورد استفاده قرار گرفتند. در سالهای اخیر و در حال حاضر این باتریها به نظر می رسد که نویدبخش ترین تکنولوژی برای دخیره سازی انرژی در وسایل نقلیه برقی و هیبرید بوده اند.
1.2. هدف کار و تشریح پایان نامه
وسایل نقلیه برقی به گزینه خط مشی مهم برای کاهش وابستگی به نفت فسیلی و کاهش تغییرات آب و هوایی تبدیل شدند (ام. ترن ، 2012). علیرغم پیشرفت گسترده در تکنولوژی باتری، همانند شیمی لیتیوم-یون، ضروری ترین مولفه و به طور همزمان ضعیف ترین ارتباط (لینک) در برقی سازی حمل و نقل مدرن هنوز سیستم-های ذخیره سازی انرژی هستند (پیرسون، 2010).
یک عدم قطعیت اصلی در ارزیابی سیستم «وسیله نقلیه برقی-باتری» وابستگی بهره وری، کارایی و طول عمر باتری به استفاده مصرف کننده (الگوهای متغیر شارژ و تخلیه) و تغییر شرایط عملیاتی همانند دما است. هدف این پایان نامه ارزیابی اینوابستگی ها با در نظرگیری انواع مختلف باتری لیتیوم-یون همراه با شرایط رانندگی، شارژ کردن و دمای محیط است.پارامترهای اصلی شیمی های مختلف در سطح پیل و پک به منظور دستیابی به یک روش عمومی و آسان جهت مقایسه کارایی که هر نوع باتری ممکن است تحت شرایط عملیاتی EV معمول داشته باشند، مورد ارزیابی قرار گرفتند.
در بطن عبارت وسایل نقلیه برقی پیکربندیهای وسیله نقلیه مختلف در نظر گرفته شدند و هر یک از آنها از مشخصه های متفاوتی برخوردار هستند. به عنوان یک نتیجه، خصوصیات باتری خاص به طور قابل توجه با نوع وسیله نقلیه موردنظر تغییر می کند. به علاوه، امروزه در بازار باتری EV طیف گسترده ای از شیمی های مختلف، طراحیهای پیل، بسته بندی و پیکربندیهای پک باتری محتمل وجود دارد. توسعه یک سیستم باتری مناسب برای یک کاربرد (دستگاه) خاص مسئولیت آسانی نیست و ارزیابیهای مختلف باید انجام شوند. وسایل نقلیه برقی محض باید طیف رانندگی برقی طولانی را تضمین کنند. برای انجام این، آنها نیازمند باتریهای انرژی بالا هستند در حالیکه مشخصه اصلی باتری وسایل نقلیه هیبرید توان است.
انرژی و توان باتری دو پارامتر اصلی برای تعریف کارایی باتری هستند و این پارامترها قویاً توسط مقاومت داخلی تحت تاثیر قرار گرفتند. به نوبه خود، مقاومت داخلی به وسیله شرایط عملیاتی (دما، SOC و نرخ C) و نوع باتری لیتیوم-یون تحت تاثیر قرار گرفته است. در بخش اصلی این پایان نامه، وابستگی آن از دما، SOC و شیمی های باتری مختلف تجزیه و تحلیل شده است.
As a country that has 2 percent of the world's oil reserves, but uses 20 percent of the world's oil — I'm going to repeat that — we've got 2 percent of the world oil reserves; we use 20 percent. What that means is, as much as we're doing to increase oil production, we're not going to be able to just drill our way out of the problem of high gas prices. Anybody who tells you otherwise either doesn’t know what they’re talking about or they aren’t telling you the truth.”
1. Introduction
1.1. Motivation
Coal has been the protagonist of the Industrial Revolution of the 18th and 19th century. With the advent of the automobile and aviation transport, oil became the dominant fuel during the twentieth century. In 2009 the world oil consumption was about 84.5 million barrels daily (about 88 in 2011), 35% of which was for land transport (BP, 2012), (IEA, 2012). Some researchers argue that oil produced from conventional sources will be reduced by about 50% until 2030 (W. Zittel, 2007) with a consumption rate that continues unabated. In addition to the limited fossil fuel resources, recent growing concern over the environmental impact of petroleum use has introduced the need to use alternative energy sources and electric vehicles.
Against this background, it is quite clear that modern society will be forced to face a drastic change in the way in which it produces and uses the available energy in the coming years. Consequently, nowadays there is also an increased political pressure to produce and use “green” energy.
Although there are a number of possible solutions to the transportation challenge, such as the use of bio-fuels and hydrogen, many believe that hybridization and electrification of vehicles are best ways to address the issues that the transportation industry will face (D. Choi, 2011) and (Pesaran, 2010).
Batteries are one of the main challenges which the automotive industry has to meet in order to make a positive change.
Automotive companies have largely used NiMH batteries for hybrid vehicles in the last decade and these are still used today because of their low cost per Watt. However, limited SOC operation range and low energy density make them unsuitable for EVs (Broussely, 2010).
Electric vehicles should be able to provide high driving range, acceleration, and long life. They should also be able to accept high power chargers from regenerative braking and fast charging stations. These are challenges difficult to achieve for the majority of the existing energy storage devices.
The solution seems to come from Lithium-Ion battery technology. Lithium-Ion batteries have been widely used in portable applications, such as mobile phones and laptop computers. In recent years and at the moment they seem to be also the most promising technology for storing energy in electric and hybrid vehicles.
1.2. Aim of the Work and Thesis Outline
Electric vehicles have become an important policy option to reduce the dependence on fossil oil and mitigate climate change (M. Tran, 2012). Despite the enormous improvement in battery technology, such as Lithium-Ion chemistry, the most crucial component and at the same time the weakest link in the modern electrification of transportation is still the energy storage system (Pesaran, 2010).
One major uncertainty in evaluating the system “EV-Battery” is the dependence of battery efficiency, performance and lifetime on consumer usage (varying charging and discharging patterns) as well as the variation of operating conditions, such as temperature. The goal of this thesis is to assess these dependencies taking into consideration different Lithium-Ion battery types together with various driving, charging and ambient temperature conditions. The main parameters of the different chemistries have been assessed at cell and pack level in order to have a general and easy method to compare the performance that each type of battery may have under typical EV operating conditions.
Within the term electric vehicles different vehicle configurations are considered and each of
them has different characteristics. As a consequence, the specific battery properties vary considerably with the vehicle type considered. Furthermore, nowadays in the EV battery market a wide variety of different chemistries, cell designs, packaging, and possible battery pack configurations is present. Developing a battery system suitable for a certain application is not an easy task and different evaluations should be done. Pure electric vehicles shouldguarantee long electric driving range. To do so they need high-energy batteries, while the main characteristic of hybrid vehicles battery is power.
Battery energy and power are two main parameters to define battery performance and they are strongly affected by the internal resistance. The internal resistance, in turn, is influenced by the operating conditions (temperature, SOC, C-rate) and by the type of the Lithium-Ion battery. In the central part of this thesis its dependency from different temperature, SOC, and battery chemistries is analyzed.
1. مقدمه
1.1. انگیزش
1.2. هدف کار و تشریح پایان نامه
2. باتری ها: تعاریف و مفاهیم بنیادین
2.1. اصول الکتروشیمیایی بنیادین باتریهای لیتیوم-یون
2.2. تعاریف باتری
2.2.1. ولتاژ و ظرفیت
2.2.2. SOC و DOC
2.2.3. نرخ C
2.2.4. مقاومت داخلی
2.2.5. انرژی و توان
2.3. انواع باتری های لیتیوم-یون
3. طراحی و کارایی باتری های لیتیوم-یون
3.1. الزامات باتری برای وسایل نقلیه هیبرید و برقی
3.1.1. وسایل برقی هیبرید HEV
3.1.2. وسایل نقلیه برقی هیبرید پلاگین PHEV و وسایل نقلیه برقی باتری BEV
3.1.3. الزامات باتری برای وسایل نقلیه هیبرید و برقی
3.2. طراحی باتری لیتیوم-یون
3.3. راه حل پک باتری کنونی
3.3.1. شورلت ولت
3.3.2. نیسان لیف
3.4. مدلسازی کارایی و طراحی باتری
4. فاکتورهای تاثیرگذار بر کارایی باتری
4.1. ترمودینامیک و سینتیک الکتروشیمیایی
4.2. تلفات باتری و مقاومت داخلی
4.3. پارامترهای امپدانس پیل داخلی
4.4. طول عمر باتری
4.4.1. پیری آندها
4.4.2. پیری کاتدها
4.4.3. خلاصه پیری
4.5. مدلسازی طول عمر باتری: مرور منابع و مراجع
5. مدلسازی پیل باتری
5.1. پیشینه
5.2. آنالیز قابلیت تولید انرژی
5.2.1. فرمولاسیون مدل
5.2.2. نتایج شبیه سازی و بحث
5.3. آنالیز قابلیت تولید توان
منابع
1. Introduction
1.1. Motivation
1.2. Aim of the Work and Thesis Outline
2. Batteries: Basic Concepts and Definitions
2.1 Basic Electrochemical Principles of Lithium-Ion Batteries
2.2 Battery Definitions
2.2.1 Voltage and Capacity
2.2.2 SOC and DOC
2.2.3 C-rate
2.2.4 Internal Resistance
2.2.5 Energy and Power
2.3 Lithium-Ion Battery Types
3. Design and Performance of Lithium-Ion Batteries
3.1 Battery Requirements for Hybrid and Electric Vehicles
3.1.1 HEV Hybrid Electric Vehicles
3.1.2 PHEV Plug In Hybrid Electric Vehicles and BEV Battery Electric Vehicles
3.1.3 Battery Requirements for Hybrid and Electric Vehicles
3.2 Lithium-Ion Battery Design
3.3 Current Battery Pack Solution
3.3.1 Chevrolet Volt
3.3.2 Nissan Leaf
3.4 Modeling of Battery Design and Performance
4. Factors Affecting Battery Performance
4.1 Electrochemical Thermodynamics and Kinetics
4.2 Battery Losses and Internal Resistance
4.3 Internal Cell Impedance Parameters
4.4 Battery Lifetime
4.4.1 Ageing of Anodes
4.4.2 Ageing of Cathodes
4.4.3 Summary of Ageing
4.5 Battery Lifetime Modeling: literature review
5. Battery Cell Modeling
5.1 Background
5.2 Energy Capability Analysis
5.2.1 Model Formulation
5.2.2 Simulation Results and Discussions
5.3 Power Capability Analysis
References