Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός Εξομοιωτή Μπαταριών (Battery Emulator - BE) που λειτουργεί σε Περιβάλλον Προσομοίωσης Ισχύος (Power Hardware-in-the-Loop Simulation – PHIL) και εισάγεται η ιδέα του Υβριδικού Εξομοιωτή Μπαταριών (Hybrid Battery Emulator – ΗΒΕ). Η έρευνα επικεντρώθηκε σε τρεις κύριους τομείς: μοντελοποίηση μπαταρίας, αλγόριθμοι παρακολούθησης μπαταρίας και διεπαφή ισχύος της συσκευής που υλοποιεί τον εξομοιωτή. Τα ευρήματα από όλους τους ανωτέρω τομείς συνδυάζονται στον Υβριδικό Εξομοιωτή Μπαταριών (HBE).Εφαρμόζονται και συγκρίνονται τρία μοντέλα μπαταριών: το Ισοδύναμο Κύκλωμα (Equivalent Circuit Model - ECM), το Κινητικό (Kinetic Battery Model - KiBaM) και η Διάχυση (Diffusion). Η σύγκριση δείχνει ότι το μοντέλο Διάχυσης απαιτεί πολύ υψηλότερη υπολογιστική ισχύς και επομένως, είναι λιγότερο κατάλληλο για εφαρμογή σε πραγματικό χρόνο. Όσον αφορά τα άλλα δύο, το KiBaM είναι πιο απλό στην παραμετροποίηση, αλλά το ECM παρουσιάζει μεγαλύτερη ακρίβεια κατά την προσομοίωση. Η ανάλυση ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκε, αποκαλύπτει ότι η πιο σημαντική παράμετρος για την ακρίβεια της προσομοίωσης είναι το Επίπεδο Φόρτισης (State of Charge - SoC). Η μέθοδος που προτείνεται για την αύξηση της ακρίβειας του Επίπεδου Φόρτισης (SoC) είναι ένας Παρατηρητής Λειτουργίας με την μέθοδο της Ολίσθησης (Sliding Mode Observer), ο οποίος συγκρίνει τη μετρούμενη τάση από μια πραγματική κυψέλη με την τάση που υπολογίζεται από το μοντέλο της μπαταρίας και προσαρμόζει το Επίπεδο Φόρτισης (SoC) αναλόγως.Για την επίδειξη των δυνατοτήτων αυτής της εφαρμογής, χρησιμοποιείται κοινό τροφοδοτικό του εμπορίου το οποίο υλοποιεί την Εξομοιωτή Μπαταριών (ΒΕ). Από την ανάλυση ευστάθειας που πραγματοποιήθηκε, προκύπτει η ανάγκη σύνδεσης μιας αντίσταση σε σειρά με την έξοδο του τροφοδοτικού καθώς και το αποδεκτό εύρος τιμών της υπόψη αντίστασης. Παρουσιάζονται δύο υλοποιήσεις του Υβριδικού Εξομοιωτή Μπαταριών (HBE). Και στις δύο υλοποιήσεις, ένα μόνο κελί από τη συστοιχία της μπαταρίας είναι συνδεδεμένο σε σειρά με τη συσκευή η οποία εξομοιώνει τα υπόλοιπα κελιά. Κατά την πρώτη υλοποίηση, ένα μοντέλο μπαταρίας παρέχει την τάση αναφοράς στο τροφοδοτικό που υλοποιεί τον εξομοιωτή και οι μετρήσεις από το εν σειρά συνδεδεμένο κελί χρησιμοποιούνται για την ενημέρωση των παραμέτρων του μοντέλου. Τα πειράματα αποκαλύπτουν ότι τα σφάλματα στο Επίπεδο Φόρτισης (SoC) μειώνονται και ότι η ακρίβεια εξομοίωσης αυξάνεται σημαντικά. Στη δεύτερη μέθοδο, δεν υπάρχει μοντέλο μπαταρίας. Η πραγματική τάση του εν σειρά συνδεδεμένου κελιού μετράται, πολλαπλασιάζεται και ορίζεται ως αναφορά στο τροφοδοτικό που υλοποιεί τον εξομοιωτή. Αυτή η υλοποίηση παρουσιάζει μεγαλύτερη ακρίβεια αλλά δεν προτείνεται γιατί δεν παρέχει πληροφορίες για την κατάσταση της μπαταρίας. Τέλος, προτείνεται ως μελλοντική εργασία μια εναλλακτική υλοποίηση Υβριδικού Εξομοιωτή Μπαταριών (HBE), στην οποία ένα κελί από τη συστοιχία της μπαταρίας λειτουργεί σε ένα παράλληλο πείραμα με μειωμένο ρεύμα.
Battery emulator operating in a power hardware-in-the-loop simulation
