Blybatterier är ett uppladdningsbart batteri som har utvecklats i över 100 år och används i ett brett spektrum där det krävs en långvarig och pålitlig strömkälla. Däremot har blybatterier en begränsad livslängd och kapacitet som styrs av underhållet av batteriet. En faktor som påverkar batteriets kapacitet är sulfatering, vilket sker när batteriet urladdas och stått med en låg laddningsstatus under en lång tid. När transporter av blybatterier sker är det därför viktigt att ha tillförlitliga och säkra processer för att säkerställa batteriets kvalitet genom hela transportkedjan. Syftet med denna studie var att ta fram konceptmodeller genom att undersöka och identifiera olika metoder för att säkerställa kvaliteten på blybatterierna under långa transporter. Konceptmodellernas syfte var även att öka livslängden på blybatterierna med hänsyn till användarvänlighet och miljöpåverkan. Följande forskningsfrågor har besvarats: I. Hur kan företag inom tillverkningsindustrin säkerställa kvalitet på ett blybatteri under långa transporter?II. Hur kan urladdning av blybatterier undvikas genom övervakning av batteriet? En fallstudie har genomförts på Volvo CE, ett globalt företag som verkar inom interkontinentala och regionala transporter. I Pedeneiras, Brasilien, etablerades en produktionsanläggning år 1995 för anläggningsmaskiner som sedan levereras till återförsäljare i Nord- och Sydamerika samt Australien. Anläggningsmaskinerna har ett 24 V-system som innehåller två stycken seriekopplade 12 V blybatterier. Transporten för anläggningsmaskinerna från produktionsanläggningen till återförsäljare kan ta upp till två månader vilket innebär att batterierna riskerar att självurladdas och blir permanent skadade. Semistrukturerade intervjuer genomfördes på Volvo CE i Eskilstuna, Volvo GTT samt produktionsanläggningen i Pederneiras, för att samla in relevant data. Parallellt har en litteraturstudie utförts för att utforska tillgängliga teknologier samt tekniker för att underhålla laddningen och mäta batteriets status. Studien resulterade i tre stycken konceptmodeller som bygger på den empiriska data samt teknologier som framkom under litteratursökningen. Konceptmodell I är ett förslag på implementering av ett individuellt serienummer på blybatterierna. Denna lösning skapar transparens genom att kunna spåra batterierna, identifiera och logga batteriets status när maskinen har lämnat produktionsanläggningen. Genom att sammankoppla detta med digitala verktyg möjliggörs spårning av det individuella batteriet. Konceptmodell II innebär att en batterisensor placeras på batteriet som med fjärrstyrning möjliggör övervakning av batteriets status och position. Detta innebär att batteriet kan övervakas på distans i realtid och användaren varnas automatiskt om batteriets spänning är för låg. Detta innebär att batteriet kan laddas upp innan det förlorat sin kapacitet vilket har en positiv inverkan på miljön samt användarvänligheten. Konceptmodell III är en utökning av föregående koncept men innebär att underhållsladdningen automatiseras med solpaneler och laddningsregulator. Lösningen tar hänsyn till både användarvänligheten och miljöpåverkan genom att säkerställa att batteriet inte urladdas.

The possibility of measuring the state of health of a NiMH battery without doing it in a lab is evaluated, the goal was to see if it was possible to perceive any differences between batteries of different states of health and whether it’s worth further exploring this solution in a more detailed manner. In order to try and extract and analyze the state of health of the batteries a series of tests consisting of discharging batteries at different lengths of times and different resistive loads were made, the voltage of the batteries being captured by a multimeter. The study shows that getting the state of health of a battery with simple components is a possibility and is useful for battery-powered items. Situations where batteries can’t deliver enough energy for the item to function can be prevented by measuring the health of the batteries and then subsequently switching out the batteries if needed.

No description available.

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d’alimentation spécifiques. Il s’agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d’indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en œuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D’autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d’implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d’obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d’amélioration de notre système afin d’obtenir un SOH plus précis. / To ensure power quality and permanently, some electronic system supplies exist. These supplies are the Uninterrupted Power Supplies (UPS). An UPS like any other system may have some failures. This can be a cause of redundancy loss. This load loss causes a maintenance downtime which may represent a high cost. We propose in this thesis to work on two of the most sensitive components in the UPS namely electrolytic capacitors and lead acid batteries. In a first phase, we present the existing surveillance systems for these two components, highlighting their main drawbacks. This allows us to propose the specifications which have to be implemented for this system. For electrolytic capacitors, we detail different stages of characterization ; the aging accelerated standard experimental procedure and their associated results. On the other hand, we present the simulation results of monitoring and failure prediction system retained. We discuss the experimental validation, describing the developed system. We detail the electronic boards designed, implemented algorithms and their respective constraints for a real time implementation. Finally, for lead acid batteries, we present the simulation results of the monitoring system adopted to obtain the SOC and SOH. We describe the aging experimental procedure of charging and discharging cycles of the batteries needed to find a simple and accurate electric models. We explain the aging experimental results and in the end we give suggestions for improving our system to get a more accurate SOH.

La mesure d'impédance électrique en embarqué sur véhicule est un sujet clé pour améliorer les fonctions de diagnostic d'un pack batterie. On cherche en particulier à fournir ainsi des mesures supplémentaires à celles du courant pack et des tensions cellules, afin d'enrichir les indicateurs de vieillissement dans un premier temps, et d'état de santé et de charge dans un second temps. Une méthode classique de laboratoire pour obtenir des mesures d'impédance d'une batterie est la spectroscopie d'impédance électrochimique (ou EIS). Elle consiste à envoyer un signal sinusoïdal en courant (ou tension) de fréquence variable balayant une gamme de fréquences d'intérêt et mesurer ensuite la réponse en tension (ou courant) pour chaque fréquence. Une technique d'identification active basée sur l'utilisation des signaux large bande à motifs carrés est proposée. En particulier, des simulations ont permis de comparer les performances d'identification de différents signaux d'excitation fréquemment utilisés dans le domaine de l'identification et de vérifier les conditions correspondant à un comportement linéaire et invariant dans le temps de l'élément électrochimique. L'évaluation de la qualité d'estimation est effectuée en utilisant une grandeur spécifique : la cohérence. Cette grandeur statistique permet de déterminer un intervalle de confiance sur le module et la phase de l'impédance estimée. Elle permet de sélectionner la gamme de fréquence où la batterie respecte les hypothèses imposées par la méthode d'identification large bande. Afin de valider les résultats, une électronique de test a été conçue. Les résultats expérimentaux permettent de mettre en valeur l'intérêt de cette approche par motifs carrés. Un circuit de référence est utilisé afin d'évaluer les performances en métrologie des méthodes. L'étude expérimentale est ensuite poursuivie sur une batterie Li-ion soumise à un courant de polarisation et à différents états de charge. Des essais comparatifs avec l'EIS sont réalisés. Le cahier de charge établi à l'aide d'un simulateur de batterie Li-ion a permis d'évaluer les performances de la technique large bande proposée et de structurer son utilité pour l'estimation des états de vieillissement et de charge. / Embedded electrical impedance measurement is a key issue to enhance battery monitoring and diagnostic in a vehicle. It provides additional measures to those of the pack's current and cell's voltage to enrich the aging's indicators in a first time, and the battery states in a second time. A classical method for battery impedance measurements is the electrochemical impedance spectroscopy (EIS). At each frequency, a sinusoidal signal current (or voltage) of a variable frequency sweeping a range of frequencies of interest is at the input of the battery and the output is the measured voltage response (or current). An active identification technique based on the use of wideband signals composed of square patterns is proposed. Particularly, simulations were used to compare the performance of different excitation signals commonly used for system identification in several domains and to verify the linear and time invariant behavior for the electrochemical element. The evaluation of the estimation performance is performed using a specific quantity: the spectral coherence. This statistical value is used to give a confidence interval for the module and the phase of the estimated impedance. It allows the selection of the frequency range where the battery respects the assumptions imposed by the non-parametric identification method. To experimentally validate the previous results, an electronic test bench was designed. Experimental results are used to evaluate the wideband frequency impedance identification. A reference circuit is first used to evaluate the performance of the used methodology. Experimentations are then done on a Li–ion battery. Comparative tests with EIS are realized. The specifications are established using a simulator of Li-ion battery. They are used to evaluate the performance of the proposed wide band identification method and fix its usefulness for the battery states estimation: the state of charge and the state of health.

The electrification within the automotive industry goes faster than ever, which drives an increased demand for more knowledge about batteries. Vehicle manufacturers should be able to tell how long the batteries will last and have a service program for electrified vehicles, just as there is for traditional, fuel-driven ones. Scania is in the process of developing new service methods for their hybrids and fully electrified vehicles where this thesis has been a part of this development by investigating the possibilities of having a workshop test to measure the capacity of the propulsion batteries.  During the thesis, essential parameters for cycling the batteries and measure the capacity with high accuracy have been identified and investigated by conducting lab tests. In parallel to defining the properties of a successful capacity measurement, the implementation of such a measurement at a workshop has been studied alongside a brief discussion about scheduling strategies. Conducting a capacity measurement in a workshop environment introduce new challenges, and the critical question arises, how long can the capacity measurement take? It is identified that the state of charge window size, the temperature, and the relaxation time are essential parameters to control. From the experimental part of the thesis, it can be concluded that the start temperature should lay in the range of 15-25 °C with a relaxation time of 5-10 minutes providing a satisfying accuracy. A SOC window size of 20-80% seems to be the most optimal balance between time spent and accuracy in the measurement. Furthermore, it is identified that the workshop's equipment is heavily influencing the time it takes to conduct a test. It is concluded that it is necessary to be able to charge and discharge the batteries. / Elektrifieringen av fordons industrin går snabbare än någonsin, vilket driver en högre efterfrågan på mer kunskap om batterier. Fordons tillverkare ska kunna redogöra för hur länge batterierna kan användas och ha ett service program för elektrifierade fordon, likt det som redan finns för traditionella, bränsledrivna fordon. Scania håller på att utveckla nya service metoder för sina hybrider och elektriska fordon där detta examensarbete har varit en del av denna utveckling genom att undersöka möjligheterna kring en verkstadsmetod för att mäta kapaciteten hos framdrivnings batterier.  Under examensarbetet har väsentliga parametrar för cykling av batterier och mätning av kapacitet med hög noggrannhet identifierats och undersökts med laboratorietester. Parallellt med arbetet för att definiera egenskaperna hos en precis kapacitets mätning har implementationen av en sådan mätning i en verkstad studerats tillsammans med en kort diskussion om strategier för schemaläggning av dessa tester. Det introducerar nya utmaningar att utföra kapacitets mätningen i en verkstad och den viktiga frågan uppstår, hur lång tid tar en sådan kapacitets mätning? Det har identifieras att SOC fönster storleken, temperaturen och relaxeringstiden är essentiella parametrar att kontrollera. Slutsatserna är att temperaturen bör ligga i intervallet 15-25 °C med en relaxeringstid på 5-10 minuter ger en tillfredställande noggrannhet. Ett SOC fönster motsvarande 20-80% är förefaller vara den mest optimala i avvägningen mellan tidsåtgång och precision. Vidare kan den tillgängliga utrustningen på verkstaden pekas ut som en starkt påverkande faktor till tiden det tar att utföra ett sådant verkstadstest.

Due to the large share of production costs, the lifespan of an electric vehicle’s (EV) lithium-ion traction battery should be as long as possible. The optimisation of the EV’s operating strategy with regard to battery life requires a regular evaluation of the battery’s state-of-health (SOH). Yet the SOH, the remaining battery capacity, cannot be measured directly through sensors but requires the elaborate conduction of special characterisation tests. Considering the limited number of test facilities as well as the rapidly growing number of EVs, time-efficient and scalable SOH estimation methods are urgently needed and are the object of investigation in this work. The developed virtual SOH experiment originates from the incremental capacity measurement and solely relies on the commonly logged battery management system (BMS) signals to train the digital battery twins. The first examined dataset with identical load profiles for new and aged battery state serves as proof of concept. The successful SOH estimation based on the second dataset that consists of varying load profiles with increased complexity constitutes a step towards the application on real driving cycles. Assuming that the load cycles contain pauses and start from the fully charged battery state, the SOH estimation succeeds either through a steady shift of the load sequences (variant one) with an average deviation of 0.36% or by random alignment of the dataset’s subsequences (variant two) with 1.04%. In contrast to continuous capacity tests, the presented framework does not impose restrictions to small currents. It is entirely independent of the prevailing and unknown ageing condition due to the application of battery models based on the novel encoder–decoder architecture and thus provides the cornerstone for a scalable and robust estimation of battery capacity on a pure data basis.

The continuous monitoring of the state-of-health (SOH) of electric vehicles (EV) represents a problem with great research relevance due to the time-consuming battery cycling and capacity measurements that are usually required to create a SOH estimation model. Instead of the widely used approach of modelling the battery’s degradation behaviour with as little cycling effort as possible, the applied SOH monitoring approach is the first of its kind that is solely based on commonly logged battery management system (BMS) signals and does not rely on tedious capacity measurements. These are used to train the digital battery twins, which are subsequently subjected to virtual capacity tests to estimate the SOH. In this work, transfer-learning is applied to increase the data and computational efficiency of the digital battery twins training process to facilitate a real-world application as it enables SOH estimation for unknown ageing states due to the selective parameter initialisation at less than a tenth of the common training time. However, the successful SOH estimation with a mean SOH deviation of 0.05% using transfer-learning still requires the presence of pauses in the dataset. Meta-learning extends the idea of transfer-learning as the baseline model simultaneously takes several ageing states into account. Learning the basic battery-electric behaviour it is forced to preserve a certain level of uncertainty at the same time, which seems crucial for the successful fine-tuning of the model parameters based on three pause-free load profiles resulting in a mean SOH deviation of 0.85%. This optimised virtual SOH experiment framework provides the cornerstone for a scalable and robust estimation of the remaining battery capacity on a pure data basis.

Cette thèse a pour but le développement d'une source photovoltaïque autonome ayant des capacités d'auto-diagnostic. Un structure d'hybridation spécifique est proposée consistant en une hybridation DC de sources photovoltaïques, d'une batterie au lithium et de supercondensateurs. Des modèles dynamiques des convertisseurs boost conventionnels et de leur variante avec isolation galvanique sont proposés. Un observateur d'état est ensuite présenté pour estimer en ligne les différents paramètres représentant les pertes des convertisseurs. On montre qu'il est possible d'utiliser ces paramètres estimés pour la gestion de l'énergie dans le système, avec en particulier l'optimisation du rendement de structures parallèles. L'optimisation des sources photovoltaïques est aussi étudiée avec une attention particulière accordée aux phénomènes d'ombrage partiel et le design d'un algorithme de maximisation de la puissance produite (MPPT) dans le cas d'une architecture distribuée série. De part une architecture de puissance spécifique, on propose aussi une méthode d'estimation de l'état de santé (SOH) de la batterie qui est validée sur des cellules de batterie Li - ion et LiFePO4. On montre que le convertisseur Cuk isolé avec inductances couplées est parfaitement adapté pour faire du diagnostic en ligne sur les batteries par injection de courant. Enfin, un schéma de gestion de l'énergie global est proposé, et on vérifie le bon fonctionnement de l'ensemble de la source hybride proposée / This thesis interested on developing a stand-alone photovoltaic system with self-diagnosis possibility. A specific structure has been proposed consisting in a DC hybridization of photovoltaic sources, a Lithium-based battery and supercapacitors. Dynamics models of the boost converter and the current-fed dual-bridge DC-DC converter are proposed and an efficient state observer is proposed to estimate the models equivalent losses' parameters online. It is shown that the estimated parameters can be used in the energy management scheme, with in particular optimisation of the efficiency of paralleled structures. The photovoltaic source optimization is also studied with special attention on shading phenomenon and design of MPPT technique especially on the case of distributed series architecture. Through a specific hybridization structure, State-Of-Health estimation is tested on Li-ion and LiFePO4 batteries. It is shown that the isolated coupled-inductors Cuk converter is very efficient for battery estimation through current injection. Finally, a global energy management scheme is proposed, and the developed stand-alone photovoltaic system is validated to operate as supposed

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d'alimentation spécifiques. Il s'agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d'indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en œuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D'autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d'implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d'obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d'amélioration de notre système afin d'obtenir un SOH plus précis.