Συντάχθηκε 15-12-2025 10:33
Τόπος:
Έναρξη: 18/12/2025 10:00
Λήξη: 18/12/2025 11:00
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Πέμπτη, 18 Δεκεμβρίου 2025, 10:00
Αίθουσα Γ3.0.13, Κτίριο Γ3
Ονοματεπώνυμο: ΚΑΒΑΚΑΣ ΣΤΕΦΑΝΟΣ-ΟΘΩΝΑΣ
Θέμα: Μοντελοποίηση και έλεγχος μπαταριών Λιθίου με χρήση MATLAB/Simulink
Title: Modeling and control of a Li-ion battery pack using MATLAB/Simulink
Εξεταστική Επιτροπή
- ΙΨΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής (επιβλέπων)
- ΠΑΠΑΕΥΘΥΜΙΟΥ ΣΠΥΡΙΔΩΝ, Καθηγητής
- ΚΑΝΕΛΛΟΣ ΦΩΤΙΟΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την μοντελοποίηση, την εκτίμηση κατάστασης, και τον έλεγχο φόρτισης μπαταριών λιθίου-ιόντος χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB/Simulink. Η μελέτη αυτή ξεκινάει με μια εισαγωγή στον ρόλο του ελέγχου σε σύγχρονες εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας και στις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στις μπαταρίες λιθίου-ιόντος. Στην συνέχεια, διάφορες προσεγγίσεις μοντελοποίησης αναφέρονται πριν την επιλογή του Equivalent Circuit Model (ECM), η οποία προσφέρει πλεονεκτήματα τόσο σε ακρίβεια όσο και σε υπολογιστικό φορτίο. Για την μοντελοποίηση χρησιμοποιούνται πειραματικά δεδομένα Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) από μια μπαταρία BAK N18650CL-29 της παραγώγου BAK. Με βάση τα δεδομένα αυτά πραγματοποιείται η παραμετροποίηση, όπου υπολογίζονται οι παράμετροι ενός μοντέλου δύο χρονικών σταθερών μπαταρίας (2RC) ως συνάρτηση κατάστασης φόρτισης και θερμοκρασίας. Έπειτα ακολουθάει η επικύρωση του μοντέλου μέσω προσομοίωσης εκφόρτωσης σταθερού ρεύματος, στην οποία το μοντέλο αποδείχτηκε έγκυρο με πραγματική συμπεριφορά. Μετά την επικύρωση του μοντέλου της μπαταρίας, δημιουργείται ένα πακέτο μπαταριών (5s4p) με την χρήση της εφαρμογής Battery Builder του MATLAB, το οποίο έπειτα επαληθεύεται επίσης με μια προσομοίωση εκφόρτωσης. Το κεφάλαιο ελέγχου της εργασίας ξεκινάει με την εφαρμογή και αξιολόγηση δύο μεθόδων εκτίμησης κατάστασης φόρτισης, της μεθόδου Coulomb Counting (CCM) και του Extended Kalman Filter (EKF). Τα αποτελέσματα της σύγκρισης τους ανέδειξαν την υπεροχή του EKF ως προς την δυναμική σύγκλιση στο αβέβαιο επίπεδο φόρτισης και την ανθεκτικότητα στον θόρυβο μετρήσεων. Στην συνέχεια πραγματοποιείται εκτίμηση κατάστασης υγείας με προσεγγιστικές μεθόδους βασισμένες στην χωρητικότητα και τάση ακροδεκτών, προσφέροντας πληροφορίες σχετικά με την γήρανση των μπαταριών. Τέλος, εφαρμόζεται μια στρατηγική ελέγχου φόρτισης, Constant Current Constant Voltage (CCCV), η οποία προσφέρει σταθερότητα και ασφάλεια στην απόδοση της μπαταρίας σε μια προσομοίωση πολλαπλών κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης. Βάση αυτής της προσομοίωσης επιβεβαιώθηκε η αποτελεσματική ικανότητα ελέγχου της στρατηγικής αυτής. Εν κατακλείδι, η διπλωματική αυτή παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο και συνεκτικό πλαίσιο μοντελοποίησης, εκτίμησης καταστάσεων και ελέγχου μπαταριών λιθίου-ιόντος. Το πλαίσιο αυτό υποστηρίζεται σε πειραματικά δεδομένα, εφαρμόζει προηγμένες τεχνικές παραμετροποίησης και επαληθευμένο μέσω εκτεταμένων πρακτικών προσομοιώσεων. Η μελέτη αυτή παρέχει βάση για μελλοντική ερεύνα σε προηγμένες μεθόδους εκτίμησης κατάστασης και ελέγχου μπαταριών.
Abstract
The following thesis presents the modeling, state estimation and charging control of a lithium-ion battery pack using MATLAB/Simulink. The study starts with a brief introduction to the role of control in modern battery applications, continuing with the electrochemical principles inside of lithium-ion cells. Various modeling approaches are discussed before selecting the Equivalent Circuit Model (ECM) due to its superiority in accuracy and computational load. Using experimental Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) data from BAK N18650CL-29 cell, a single-cell two-time constant (2RC) ECM is parameterized as a function of both state of charge (SOC) and temperature. After the validation of the single-cell ECM under a one-hour discharge cycle, a 5s4p battery pack is created using MATLAB’s Battery Builder app and then verified through a one-hour discharge simulation, presenting realistic behavior suitable for further studies. The control chapter begins with the application and evaluation of two different SOC estimation methods i) Coulomb Counting Method (CCM) and ii) Extended Kalman Filter (EKF). Afterwards, State of Health (SOH) estimation was carried out using two approaches, capacity-based and terminal-voltage-based, offering insight into battery degradation. Finally, by implementing a Constant Current Constant Voltage (CCCV) charging control strategy on the model, stable and safe battery pack performance was achieved. This simulation case study demonstrated performance with efficiency and speed in all estimation and control scenarios within realistic constraints. Conclusively, this thesis establishes a comprehensive framework for lithium-ion battery modeling, estimation and charging control that is supported by experimental data and validated through practical simulations.
