Information Technology (Council of Physical Sciences)
50 %
Ortelius classification: Applied informatics
Panel
Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent
Department of Electric Engineering and Information Systems (University of Pannonia)
Participants
Gerzson, Miklós Görbe, Péter László Hangos, Katalin Magyar, Attila
Starting date
2016-09-01
Closing date
2019-10-31
Funding (in million HUF)
14.379
FTE (full time equivalent)
4.84
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A javasolt kutatási projekt célja elektrokémiai energiatároló eszközök (pl. Li-ion akkumulátorok) hőmérsékletfüggő dinamikus viselkedésének vizsgálatára és előrejelzésére alkalmas modellek kidolgozása. A projekt további célkitűzése, hogy a kidolgozandó modellek alkalmasak legyenek a vizsgált energiatároló eszközök működési paramétereinek meghatározására alkalmas paraméter- és vagy állapotbecslési eljárások kutatására. A kutatást három fő irányban tervezzük végezni. 1. Akkumulátorok és egyéb elektrokémiai energiatároló eszközök adott családjához (pl. lítium-ion akkumulátorok, stb.) olyan dinamikus modelleket kívánunk alkotni, melyek alkalmasak az energiatároló eszköz komoly hőmérsékletfüggésének, és az ezzel kapcsolatos jelenségeknek a leírására. Ebben az irányban komoly potenciált látunk a lineáris változó paraméterű rendszerek osztályában. 2. A járműiparban használatos akkumulátorok által elviselt jelentős hőmérséklet ingadozás vizsgálata egy klímakamrában történik, ezzel kapcsolatban az elvégzendő kísérletek és mérések megtervezése egy fontos iránya kutatásunknak. 3. Az 1. és 2. kutatási irányok kezdeti eredményei alapján elkezdhetünk olyan paraméter és/vagy állapotbecslési eljárások vizsgálatával, illetve kidolgozásával foglalkozni, amelyek lehetővé teszik a kulcsfontosságú működési paraméterek, illetve változók online becslését.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás során az alábbi kérdéseket szeretnénk megválaszolni. Q1 Hogyan írható le az elektrokémiai energiatároló eszközök (pl. Li-ion akkumulátorok) hőmérsékletfüggő viselkedése egy megfelelő matematikai modell segítségével? Lehetséges-e fizikai-kémiai alapokból kiindulva felépíteni egy ilyen modellt? Q2 Hogyan tervezhetők meg az elektrokémiai energiatárolók hőmérsékletfüggő viselkedését vizsgálókísérletek és valós mérések oly módon, hogy azok maximális információt hordozzanak az alkalmazott modellek által leírt jelenségekről? Q3 Hogyan becsülhetők, illetve jelezhetők előre elektrokémiai energiatároló rendszerek paraméterei (vagy állapotai) úgy, hogy a működés szempontjából kulcsfontosságú paraméterek/állapotok (pl. töltöttségi szint, várható élettartam) meghatározhatók legyenek? Lehetséges-e egy rekurzív prediktív modellt (megfigyelőt) létrehozni, ami egy villamosüzemű személygépkocsiban megvalósítható?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatás eredményei új utakat derít fel az erősen hőmérsékletfüggő energiatároló elemek korrekt matematikai modellezésében, és identifikációjában. Ez a kutatás során létrejövő mérési adatbázisnak köszönhetően nem csak módszertani eredményeket jelent, hanem konkrét akkumulátortípusokhoz tartozó matematikai modelleket is, melyek nagy jelentőséggel bírnak az ipar számára. A modellek megléte pedig lehetőséget nyújt az olyan modell alapú módszerek számára, mint a modell paraméter-becslés, valamint az állapotbecslés, melyek mind arra irányulnak, hogy bizonyos közvetlenül nem mérhető és esetünkben erősen hőmérsékletfüggő paraméterek, változók megfelelően magas konfidenciaszint mellett megbecsülhetők legyenek. Az elméleti eredményeken túlmenően társadalmi szempontból is fontos alkalmazási területekre fejlesztünk ki módszereket és eljárásokat, hiszen a járműipar, mint elsődleges alkalmazási terület, megkerülhetetlen a modern kor embere számára.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A villamos energia tárolására szolgáló akkumulátorok használatának, és a villamos autók széleskörű elterjedésének egyik alapvető problémája, hogy az akkumulátor üzemszerű működésének főbb mutatói (pl. a benne tárolt töltés) nagyban függnek a környezeti hőmérséklettől. Egy villamos autó esetében azonban nem lehet biztosítani az állandó hőmérsékletet, és ez bizonytalanná teszi a fontosabb akkumulátor paraméterekkel kapcsolatos információt. A kutatás eredményeképpen új módszereket adunk a járműiparban is előforduló energiatárolók (akkumulátorok) hőmérsékletfüggő viselkedésének matematikai leírására, illetve működés szempontjából fontos paramétereinek megbecslésére. Az eredményül kapott algoritmusok és módszerek alapjául szolgálhatnak, illetve kiegészíthetnek egy modern akkumulátor felügyelő és állapot-előrejelző rendszert, amely akár a jármű fedélzeti számítógépén is futtatható a hatékony számíthatóság miatt.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the proposed project is to develop models for analysis and prediction of the time- and temperature dependent behaviour of electroclemical energy storage systems. Based on the obtained models suitable parameter estimation based diagnostic methods will be investigated in order to be able to predict the key operation parameters of batteries. The following three scientific challenges wil be investigated. 1. We will propose dynamical models for certain classes of batteries and other electrochemical energy storage devices (e.g. Li-ion batteries) which describe the thermal dependency and the resulting features. The class of linear parameter varying (LPV) systems hold a great potential, in our opinion. 2. Another imprtant direction of our research is the correct and thorough experiment design as well as the measurement of the climate chamber experiments. 3. Based on the preliminary results of the above two directions, we are going to investigate parameter and/or state estimation methods that open the way for the online estimation of key operating parameters and variables of electrochemical energy storage systems.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The following basic research questions will be investigated. Q1 How can we desribe the time- and temperature dependency of electrochemical storage devices (e.g. Li-ion batteries) by a suiatble mathematical model? Is it possible to give a physico-chemically inspired model? Q2 How can we design experiments and perform measurements on the temperature dependent behaviour of the real electroclemical storage devices in order that the measurement dataset hold maximal information on the features described by the applied models? Q3 How can we estimate or predict the parameters (states) of electrochemical energy storage devices in such a way that the key operation parameters (states) (e.g. state of health, state of charge) of a battery (e.g. used in an electric vehicle) can be determined? Is it possible to develop a recursive predictive model (or observer) that can be implemented in an electrical vehicle?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The results of the proposed research project open new ways of correct mathematical modeling and identification of highly thermal dependent energy storage devices. Due to the measurement database to be built, not only methodological results bit also models according to concrete battery types will be given which will be valuable for the industrial research. The models provide a basis for model based methods like model parameter estimation or state estimation which are directed towards the estimation of not directly mearurable (and possibly changing) parameters and/or variables with an acceptyble level of confidence. Besides of the theoretical results, our targeted application fields have a primary societal importance: we intend to develop methods for the vehicle industry and transportation is an unavoidable field for a man of the modern age.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. An important problem related to batteries used for electrical energy storage and to electrical vehicles is the fact, that during normal operation the main oparation parameters (remaining charge in the battery, etc.) highly depend on the environmental temperature. For an electrical vehicle, it is not possible to ensure the constant temperature, and thus the key battery parameters are ucertain. As a result of the proposed research we are giving new methods for the mathematical description of the temperature dependent behavior of energy storage devices (batteries) used in the vehicle industry. The resulting methods and algorithms can serve as a basis (or as an extension) for a modern an online battery prognostics and health management system that can even be implemented in an ECU.
Final report
Results in Hungarian
A kutatási projekt célja lítium-ion akkumulátorok termális viselkedésének vizsgálata volt. A modellalapú technikák használatához hőmérséklettől függő ekvivalens áramköri modell került kifejlesztésre és elemzésre paraméterérzékenység vizsgálattal annak meghatározására, hogy mely paramétereket lehet becsülni mérésekből. Töltési és kisütési méréseket hajtottunk végre klímakamrában, különböző hőmérsékleteken. A mérések alapján az akkumulátor modell paraméterei egy számítási szempontból hatékony paraméterbecslési módszerrel kerültek megbecslésre.
Results in English
The research project was aimed at the investigation of the thermal behavior of lithium-ion batteries. Tobe able to use model-based techniques, a temperature-dependent equivalent circuit model has been developed and analyzed by means of parameter sensitivity analysis in order to determine which parameters might be estimated from measurements. Charging-discharging measurements have been carried out in a climate chamber under different temperatures. Based on the measurements, the model parameters have ben estimated with an appropriate, computationally effective parameter estimation method.
Anna I. Pózna, Katalin M. Hangos, Attila Magyar: Design of Experiments for Battery Aging Estimation, 10th Symposium on Control of Power and Energy Systems (CPES'18) Tokyo, Japan, September 4th - 6th, 2018, (accepted paper), 2018, 2018
Anna I. Pózna, Katalin M. Hangos, Attila Magyar: Design of Experiments for Battery Aging Estimation, 10th Symposium on Control of Power and Energy Systems (CPES'18) Tokyo, Japan, September 4th - 6th, 2018, IFAC-PapersOnLine. Vol. 51(28), pp. 386-391., 2018
