Parameterization and Observability Analysis of Scalable Battery Clusters for Onboard Thermal Management

Paramétrage et analyse d’observabilité de clusters de batteries de taille variable pour une gestion thermique embarquée

¹ Department of Mechanical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, 48109 - USA
² U.S. Army Tank Automotive Research, Development and Engineering Center (TARDEC), Warren, Michigan, 48397 - USA
e-mail: xflin@umich.edu - fuhuan@umich.edu - heperez@umich.edu - siegeljb@umich.edu - annastef@umich.edu - yi.ding@us.army.mil - matt.castanier@us.army.mil

^⋆ Corresponding author

Abstract

Although the battery surface temperature is commonly measured, the core temperature of a cell may be much higher hence more critical than the surface temperature. The core temperature of a battery, though usually unmeasured in commercial applications, can be estimated by an observer, based on a lumped-parameter battery thermal model and the measurement of the current and the surface temperature. Even with a closed loop observer based on the measured surface temperature, the accuracy of the core temperature estimation depends on the model parameters. For such purpose, an online parameterization methodology and an adaptive observer are designed for a cylindrical battery. The single cell thermal model is then scaled up to create a battery cluster model to investigate the temperature pattern of the cluster. The modeled thermal interconnections between cells include cell to cell heat conduction and convection to the surrounding coolant flow. An observability analysis is performed on the cluster before designing a closed loop observer for the pack. Based on the analysis, guidelines for determining the minimum number of required sensors and their exact locations are derived that guarantee the observability of all temperature states.

Résumé

Bien que la température de surface d’une batterie soit généralement mesurée, la température interne d’une cellule peut être beaucoup plus élevée donc plus critique que la température de surface. La température interne d’une batterie, pourtant normalement non mesurée dans les applications commerciales, peut être évaluée par un observateur, sur la base d’un modèle thermique de batterie à constantes localisées et à partir de la mesure du courant et de la température de surface. Même avec un observateur en boucle fermée basé sur la température de surface mesurée, la précision de l’estimation de la température interne dépend des constantes du modèle. Dans cette optique, une méthodologie de paramétrage en ligne et un observateur adaptatif sont conçus pour une batterie cylindrique. Le modèle thermique à une seule cellule est ensuite agrandi afin de créer un modèle de cluster de batteries dans le but d’étudier le schéma de température du cluster. Les interconnexions thermiques modélisées entre les cellules incluent la conduction de chaleur de cellule à cellule et la convection au flux du liquide de refroidissement environnant. Une analyse d’observabilité est effectuée sur le cluster avant la conception, pour le pack, d’un observateur en boucle fermée. Sur la base de l’analyse, les lignes directrices permettant la détermination du nombre minimal de sondes requises et leurs positionnements exacts sont déduites permettant d’assurer l’observabilité de tous les états thermiques.