Selection of cells and analysis of the energy storage system for a solar car

• Autorzy: Frączek Szymon , Klaszczyk Wiktor , Stacherski Adam , Łęk Adam , Żołądek Maciej

Identyfikatory

DOI

10.33223/epj/185208

Warianty tytułu

PL

Dobór ogniw oraz analiza systemu magazynowania energii dla samochodu zasilanego energią słoneczną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presented study describes the research carried out on the selection of cells for the “Perła” solar car. The study aimed to select optimal cells in terms of car efficiency and related costs. In particular, we focused on an innovative approach, utilizing pouch-type cells. The research included cell discharge tests and an analysis of the results obtained from the numerical model. During the discharge tests, the cells were subjected to a constant current value to measure their efficiency and capacity. Based on the collected data, a numerical model was developed that included battery prices and car performance depending on the type of cell. Particular attention was paid to the cost-performance analysis. The research presented in the article provides valuable information for electric car battery system designers, helping them to make informed decisions regarding the selection of cells. The article is an important contribution to the development of solar car technology and can contribute to improving their efficiency and competitiveness in the market. The analysis results showed that different types of cells significantly impacted both the cost and performance of a solar car. It was found that battery price and performance varied depending on the cell type. Batteries utilizing pouch-type cells had an impressive 82% cost reduction, providing substantial savings for potential users. Additionally, these batteries had the potential to achieve a 2% greater range than batteries using commonly used 18650 cells, which are widely used in the automotive industry. The novelty lies in the presentation that introducing pouch-type cells as an innovative element of the battery system can improve efficiency and competitiveness in the market.

PL

W prezentowanej pracy opisano badania przeprowadzone nad doborem ogniw do samochodu solarnego „Perła”. Celem badań był wybór optymalnych ogniw pod kątem wydajności samochodu i kosztów z tym związanych. W szczególności przeanalizowano ogniwa typu pouch. Badania obejmowały charakterystyki rozładowania ogniw oraz analizę wyników uzyskanych z modelu numerycznego. Podczas testów rozładowania ogniwa poddano działaniu prądu o stałej wartości, w celu pomiaru wydajności i pojemności. Na podstawie zebranych danych opracowano model numeryczny uwzględniający ceny akumulatorów oraz osiągi samochodu w zależności od rodzaju ogniwa. Szczególną uwagę zwrócono na analizę kosztów i wydajności. Badania przedstawione w artykule dostarczają cennych informacji projektantom systemów akumulatorów do samochodów elektrycznych, pomagając im w podejmowaniu świadomych decyzji dotyczących doboru ogniw. Artykuł stanowi wkład w rozwój technologii samochodów zasilanych energią słoneczną i może przyczynić się do poprawy ich efektywności i konkurencyjności na rynku. Wyniki analizy wykazały, że dobór ogniw miał znaczący wpływ zarówno na koszt, jak i wydajność samochodu zasilanego energią słoneczną. Stwierdzono, że cena i wydajność baterii różniły się w zależności od typu ogniwa. Baterie wykorzystujące ogniwa typu pouch charakteryzowały się imponującą redukcją kosztów o 82%, zapewniając potencjalnemu użytkownikowi znaczne oszczędności. Dodatkowo akumulatory te miały potencjał osiągnięcia o 2% większego zasięgu niż akumulatory wykorzystujące powszechnie stosowane w motoryzacji ogniwa 18650. Nowość polega na pokazaniu, że wprowadzenie ogniw typu pouch jako innowacyjnego elementu systemu akumulatorowego może przyczynić się do poprawy efektywności i konkurencyjności na rynku.

Słowa kluczowe

EN

solar cells; solar car; energy efficiency; discharge tests; energy storage

PL

ogniwa fotowoltaiczne; samochód zasilany energią słoneczną; efektywność energetyczna; testy rozładowania; magazynowanie energii

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Polityka Energetyczna
• Rocznik: 2024
• Tom: T. 27, z. 2
• Strony: 47--70
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Frączek Szymon

• AGH University of Science and Technology, Poland

autor

Klaszczyk Wiktor

• AGH University of Science and Technology, Poland

autor

Stacherski Adam

• AGH University of Science and Technology, Poland

autor

Łęk Adam

• AGH University of Science and Technology, Poland

autor

Żołądek Maciej

• Department of Sustainable Energy Development, AGH University of Science and Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8765-0345

Bibliografia

• 2030 Climate & Energy Framework 2023. [Online] https://climate.ec.europa.eu/eu-action/climate-strategies-targets/2030-climate-energy-framework_en [Accessed: 2023-06-24].
• 2050 long-term strategy 2023. [Online] https://climate.ec.europa.eu/eu-action/climate-strategies-targets/2050-long-term-strategy_en [Accessed: 24 June 2023-06-24].
• Biensan et al. 1999 – Biensan, P., Simon, B., Pérès, J.P., de Guibert, A., Broussely, M., Bodet, J.M. and Perton, F. 1999. On safety of lithium-ion cells. Journal of Power Sources 81–82, pp. 906–912, DOI: 10.1016/S0378-7753(99)00135-4.
• CO2 emissions from cars: facts and figures (infographics) | News | European Parliament (no date). [Online] https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190313STO31218/co2-emissions-fromcars-facts-and-figures-infographics [Accessed: 2023-06-24].
• Ding et al. 2019 – Ding, Y., Cano, Z.P., Yu, A., Lu, J. and Chen, Z. 2019. Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future Perspectives. Electrochemical Energy Reviews 2, pp. 1–28, DOI: 10.1007/S41918-018-0022-Z.
• Diouf, B. and Pode, R. 2015. Potential of lithium-ion batteries in renewable energy. Renewable Energy 76, pp. 375–380, DOI: 10.1016/J.RENENE.2014.11.058.
• Doughty et al. 2010 – Doughty, D.H., Butler, P.C., Akhil, A.A., Clark, N.H. and Boyes, J.D. 2010. Batteries for Large-Scale Stationary Electrical Energy Storage. The Electrochemical Society Interface 19(3), pp. 49–53, DOI: 10.1149/2.F05103if.
• Albright et al. 2012 – Albright, G., Edie, J. and Al-Hallaj, S. 2012. A Comparison of Lead Acid to Lithium-ion in Stationary Storage Applications. [Online] https://www.batterypoweronline.com/wpcontent/uploads/2012/07/Lead-acid-white-paper.pdf [Accessed: 2024-04-23].
• Homa et al. 2022 – Homa, M., Pałac, A., Żołądek, M. and Figaj, R. 2022. Small-Scale Hybrid and Polygeneration Renewable Energy Systems: Energy Generation and Storage Technologies, Applications, and Analysis Methodology. Energies 15(23), DOI: 10.3390/EN15239152.
• IEA International Energy Agency 2019. Global EV Outlook 2019. iLumen European Solar Challenge (no date). [Online] https://www.europeansolarchallenge.eu/blog/ [Accessed: 2023-06-24].
• Introduction of 21700 50E (no date).
• Janczewski, J. 2017. Determinants of the development of electromobility. Selected issues (Determinanty rozwoju elektromobilności. Wybrane kwestie). Zarządzanie Innowacyjne w Gospodarce i Biznesie 2(25), pp. 205–2019 (in Polish).
• Kelty, K. (no date). The battery technology behind the wheel.
• Koniak, M. and Czerepicki, A. 2017. Selection of the battery pack parameters for an electric vehicle based on performance requirements. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 211(1), DOI: 10.1088/1757-899X/211/1/012005.
• LG E78 datasheet (no date). [Online] https://www.lgensol.com/assets/file/LGES_spec_sheet_cells_2022.pdf [Accessed: 2023-06-24].
• LG INR21700 M50 5,000 mAh Li-Ion Rechargeable Battery (no shrink-wrap) | 3D CAD Model Library | GrabCAD (no date). [Online] https://grabcad.com/library/lg-inr21700-m50-5-000-mah-li-ion-rechargeable-battery-no-shrink-wrap-1 [Accessed: 2023-06-24].
• Liu et al. 2019 – Liu, K., Hu, X., Yang, Z., Xie, Y. and Feng, S. 2019. Lithium-ion battery charging management considering economic costs of electrical energy loss and battery degradation. Energy Conversion and Management 195, pp. 167–179, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2019.04.065.
• Lu et al. 2017 – Lu, Z., Yu, X., Zhang, L., Meng, X., Wei, L. and Jin, L. 2017. Experimental investigation on the charge-discharge performance of the commercial lithium-ion batteries. Energy Procedia 143, pp. 21–26, DOI: 10.1016/J.EGYPRO.2017.12.642.
• New registrations of electric vehicles in Europe (no date). [Online] https://www.eea.europa.eu/ims/new-registrations-of-electric-vehicles [Accessed: 2023-06-24].
• Van Noorden, R. 2014. The rechargeable revolution: A better battery. Nature 507, pp. 26–28, DOI: 10.1038/507026A.
• Perła – AGH EKO-ENERGIA (no date). [Online] http://www.eko-energia.agh.edu.pl/nasze-projekty/perla/ [Accessed: 2023-06-24] (in Polish).
• Quinn et al. 2018 – Quinn, J.B., Waldmann, T., Richter, K., Kasper, M. and Wohlfahrt-Mehrens, M. 2018. Energy Density of Cylindrical Li-Ion Cells: A Comparison of Commercial 18650 to the 21700 Cells. Journal of The Electrochemical Society 165(14), pp.A3284–A3291, DOI: 10.1149/2.0281814jes.
• Sasaki et al. 2013 – Sasaki, T., Ukyo, Y. and Novák, P. 2013. Memory effect in a lithium-ion battery. Nature Materials 12(6), pp. 569–575, DOI: 10.1038/nmat3623.
• Test Results for LG INR18650-MJ1 3,500mAh 18650 Li-ion Battery | Power Cartel (no date). [Online] https://powercartel.com/2015/02/test-results-for-lg-inr18650-mj1-3500mah-18650-li-ion-battery/ [Accessed: 2023-06-24].
• Thiel et al. 2016 – Thiel, C., Nijs, W., Simoes, S., Schmidt, J., van Zyl, A and Schmid, E. 2016. The impact of the EU car CO2 regulation on the energy system and the role of electromobility to achieve transport decarbonisation. Energy Policy 96, pp. 153–166, DOI: 10.1016/J.ENPOL.2016.05.043.
• Useable battery capacity of full electric vehicles cheatsheet – EV Database (no date). [Online] https://evdatabase.org/cheatsheet/useable-battery-capacity-electric-car [Accessed: 2023-06-24].
• Wang et al. 2023 – Wang, X., Zhang, Y., Deng, Y., Yuan, Y., Zhang, F., Lv, S., Zhu, Y, and Ni, H. 2023. Effects of Different Charging Currents and Temperatures on the Voltage Plateau Behavior of Li-Ion Batteries. Batteries 9(1), DOI: 10.3390/BATTERIES9010042.
• World Solar Challenge 2023 (no date). [Online] https://worldsolarchallenge.org/ [Accessed: 2023-06-24].
• Xie, J. and Lu, Y.C. 2020. A retrospective on lithium-ion batteries. Nature Communications 11(1), pp. 1–4, DOI: 10.1038/s41467-020-16259-9.