Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   1 2 ,  No.   2 ,  Jun   202 1 ,  pp.  637 ~ 649   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 1 2 .i 2 . pp 637 - 649           637       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   D rivin g cycl e based batte ry rati ng se l ection  and ra nge anal ysis  in EV  applicati ons       Jyothi P .   Ph atak 1 , L .   Venka tesh a 2 , C.  S .   R av ipr asad 3   1,3 Depa rtment   of   Elec tr ical and E le c troni cs  Engi n ee ring ,   BMS   Col le ge   of Engineer ing ,  B enga lu ru ,  I ndia   2  Ta run Te chnologies,   B angalore,  Indi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved  J un  8, 20 20   Re vised Ma r 3,  2021   Accepte d  Apr   17 , 202 1       The   ene rgy   co nsumpti on  of   e le c tri c   veh ic l es  (EVs)  dep end s  on  tr aff ic   envi ronm ent ,   t err ai n ,   r esisti v e  forc es  a ct i ng  on  veh ic l e,   v ehicle   cha ra cteri sti cs  a nd  drivi ng  habit s  of  drive r.   Th e   bat t ery   pac k  in   EV  is  the   ma in   en erg y   stor age  e le m ent  and   the  en erg y   ca p acity   determ ine s   th e  r ange  of   vehi c le .   Thi s  p a per   discusses  the  beha vior   of  ba ttery  when  EV  is  subjec t ed  to   diffe ren t  driv ing   envi ron me nts  s uch  as  urb an  and   highway.  Th e  b at t ery   ra ti ng   is  sele c te d  b ase d  on  req uir em en t  of  drivi ng   cycl e.   Th e  MA TL A B / Simul ink   mode l  of   batte ry  ene rgy   stora ge  sys te m  (B E SS )  consisti ng  of  bat t ery ,   bidi re ct ion al   DC / DC   conve r te r   and  el e ct r ic   pr opulsion  sys te m   is  built.   The   simul ation  is  ca r rie d  out   and   the  per forma n ce  of  BESS   is  te sted   f or  standa rd   drivi ng  cycle s  which  em ul at e   ac tu al  drivi ng   si tua ti ons .   I t  h as  bee n   show n  tha t ,   the   am oun t  of  the   ene rg y   rec over ed  by  bat t ery   during  dec e le r at ion   depe nds  on   th e   am ount   of   reg en era t ive  en erg y   a vai l abl e   in   the  d rivi ng   cycle .   If  th e   batter y   re c over s  mor e   ener gy  during   d ec e lerati on ,   the  eff ect ive  energy  consume d  by   it r educ es  and the r ange   of   th e  v ehicle i ncr ea ses .   Ke yw or ds:   Ba tt ery   Dr i ving c ycle   Ele ct ric v e hicle   Ra ng e   Re gen e rati ve  e nerg y   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Jy ot hi P  P hatak   Dep a rtme nt of  Ele ct rical  an d  Ele ct ro nics   E nginee rin g   BMS  C ollege  of Enginee rin g   Bull  Temp le  Road, Basa van a gudi,  Be ngal uru  –   560019,  In dia   Emai l :  jyo thi p.pej1 5@bmsce . ac.in       1.   INTROD U CTION     The   aut omob il es  us ed   a rou nd  the   world   has   aff ect ed   a nd  c onti nu e s  t o  af fe ct   en vir onment   an d  human   li fe  adv e rsely .   The  pr ob le m s  su c h  as  ai r  po ll utio n,   glob al   war mi ng,  and   rap i d  ex ha us ti on  of  petr oleum   resou rces   are   of  pri mar y  co nc ern  [1].  S om e   of  the   c onditi ons   su c h  as  cl imat e  change,  a dv a nces  in  renewabl e   energ y,   qu ic k  urba nizat ion ,  data  capt ur e  a nd   a nal ys is,  ba tt ery   che mist ry   ha ve  le d  t o  the  sta rt  of  e le ct ric  veh ic le   te ch no logy  in  t he  ma rk et   [ 2].  T he  I nd ia n  go vernm ent  unde r  national  el ect ric  m ob il it y  missi on  pla n  (N E MMP ),   ha s take n  init ia ti ves  t o prom ote ele ct r ic  and  hybr i d  el ect ric  ve hicle s in  t he  c ount ry [3] .   Energ y  sto rage  sy ste m  (ESS)  is  co ns ide re d  as  the  hear t   of   E V.   The  e nerg y  sto rag e  te chnolo gie s   decide   the   f ut ur e   dev el opme nt  a nd  c omme rcial iz at ion   of  EVs.  T hese   te chnolo gies   are   assesse d  in   te rms  of   par a me te rs  a nd  factor s  of   batte ry   s uc h  as,  vo lt age,  ene rgy  c apacit y,   sta te   of  cha rg e  (SOC),  wei gh t/ siz e,  cost ,   li feti me,  charg e  and   disc harg e  current  ca pa ci ty,  et c.  The  batte ry   operati ng   c onditi ons  are  cha racteri z ed  with   the  hel p  of  the se  pa rameter s  and  fact or s .   T hese  desc ribe  t he  ma nufact urer  s pecifica ti ons.  The   ra nge  of  the   veh ic le   is  deter mined  by  the  wh / km   c on s ume d  by   t he  ve hicle   and   t he  e nerg y  capaci ty   of   batte ry   pac k.   Sizi ng   the  e nerg y  sou rce  of  hybri d  ve hicle   dep e nding  on  sta ti sti cal   ex planati on   of  dr i ving   cycle s  is   disc us se d  i n  [ 4] .   The   batte r y  ca pacit y  is  c omp uted   by  c onsid erin g  t he   ave ra ge   pow er   of  dr iving  c ycle.   A   conve x  opti miza ti on  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   637   –   649   638   te chn iq ue   is  use d  for  powe r  s plit   opti miza ti on  a nd  the n  opti mal  siz in g  of  batte ry  a nd  ul tracapaci tor   ( UC )   is  carried  out i n  [ 5].     The  performa nc e  of  bi directi on al   DC/DC  c onve rter  is  a na lyzed  with  pi  a nd  sli ding  m od e  co ntro ll er   in  the  pa per  [ 6].  T he  pro pose d  s ys te m  c an   be  util iz ed  in  el ect ric  veh ic l es  an d  s mall   gri ds .   T he  T HD  of  E V   mo to r  dr i ve  ca n  be  minimi ze d   with  dig it al   sign al   c ontr ollers  as   co mp a r ed  to   c onve ntion al   c ontr ol  s ys te ms.   This  is  well   ex plained   in  [7].   The  reg e nerat ive  br a king  c oncept  is  de velo pe d  e xp e rime ntall y  for  E V  by  us in g  enh a nce d  bid ir ect ion al   DC/D C  conver te r  in   [8].   T his  f unda mental   ex per i mentat io n  hel ps  to  un der sta nd  th e   beh a vior  of  ba tt ery   durin g  veh ic le   decele rati on.  T he  c ommu nicat io n  and  car  le a rin g  based  no vel   powe r  mana geme nt  a rch it ect ure  is   i ntr oduce d  i n  [ 9].  T his   arc hitec ture   is  base d  on  s mart   data   base   co nce pt.  The   flu x  switc hing  m ac hin e  (F S M)  c oncept  is  ve ry   well   ex plained   in  [ 10]  a s  a  hi gh   t orque  E V   dr i ve.   It  is  ha ving  a  double   r otati ng  fr e qu e nc y  a nd  is  a n  a dvan c ed  form   of  s yn chro nous   mac hin e.   T his  stu dy  helps   in  t he  desig n  on  tract io n  dr i ve  for  E Vs .  T he  fr e quenc y  r esp on se   met hod  base d  sli di ng  m ode  c ontr ol   te chn i qu e   is  app li ed   for  DC/DC   bu ck  c onve rter   in   [ 11].  B y  i nteg rati ng  the   basi c  co nverte rs,  non  is olate d  t rip or t   co nverter   i s  bu il t   for  ren e wa ble  energ y  a pp li ca ti on s  [12 ].   T he   powe r  flo w  betwee n  s ourc e  an d  lo ad   wit h  diff e re nt  swi tc hin g  patte rn s   ca n  be   achie ved  with   the  help   of  t his  co nverter .  T he   batte r y  mana geme nt  s ys te m   ad op te d  for  el ect ric   bik e  monit ors  i nd i vidual  cel l  vo lt age   with   a  minimu m  a verage  e rror  of  0.824%   [ 13].  Th is  te chn i qu e   he lps  in   dev el op i ng  en ergy  ma na ge ment  stra te gy  for  batte ry  e nerg y  sto rag e   sy ste m .  A   fi ve - le vel  ne utr al   po i nt   cl amped   i nv e rt er  w hich  feed s   the  inducti on  mo to r  ( I M )  dr i ve  is  buil t.  Th e  FO C  is  inco rpor at e d  by  sli ding   mode   sp ee d  r egu la to r.  T his   is  ve ry  well   exp la ine d  in   [ 14].  T he   siz in g  of  batte r y  ba s ed   on   the   e nerg y  requireme nt  f or  one  cha rge  is  exp la ine d  in   [15].  Fil te r  ba sed  an d  op ti miza ti on - base d  siz ing   of  batt ery   a nd  ultracapaci to r  i s  disc us se d  in   [16].  T he  proc edure  t o  c omp ute  the  t racti on  mo t or  rati ngs  for  E V  a ppli cat ion   is   well   ex plained   in  [ 18 ] - [ 20].   T his  f orms  a  f ound at io n  t o  c ompu te   t he  rati ng s  of  tract io n  m otor  f or  EV .    H ybrid   energ y  st or a ge   s ys te m  ( HESS)   siz ing  method ologies  c onsist ing  of  ba tt ery   a nd  sup ercapacit or   ar e  well   do c um e nted   in   [21 ].   F or  de m and  res pons e   ba sed  on  inter ne t  of   el ect r ic   ve hicle s,  ef fici en t  and   secu re d  e nerg y  tradin g  fr a me  work  has  bee n  pro pose d  by  c ombinin g  co nt ract  the or et ic al   m od el li ng,  co ns ort ium   blo c kc hain   and co mputat ion al  i ntell igen ce [ 22].     The  pa per   is  orga nized   into   8   sect ion s .  T he  seco nd   sect ion  ex plains  a bou t  the  dri vi ng   c ycles  w hic h  are  re quire d  to   te st  the  s ys te m  to  as sess  it s   perf ormance .  The  t hird   sect ion  ex plains  t he   sel ect ion   of  tract ion   mo to r  w hic h  s at isfie s  the  dr i ving  cycle  re quireme nts  an d  performa nce  s pecifica ti ons  of  ve hicle .  The  EV  loa d  emulat io n   is   e xp la ine d  in   the   f ourth   sect io n.  Sele ct ion  of  ba tt ery   rati ng  is   exp la ine d  in   se ct ion   five .  T he   sixt h   sect ion   discusse s  about   sim ulati on   of  batte r y  ene rgy  st or a ge  syst em  (BE SS)   us in g  M A TLAB / Sim ulin k.   T he   resu lt s  a nd  dis cussions   are   e xp la ine d  in  se ct ion   se ve n .   T he  c oncl us io n  and  f uture  sco pe  a re  discu ss ed  i n   sect ion   ei gh t .       2.   DR I VI NG C Y CLE     Dr i ving  c ycles   are   re quire d  t o  e valuate   the   performa nce   of  E V   in   va rio us  wa ys.  In  t his  w ork   these   cycles  a re  us e d  as   te st  si gn a ls  to  e val uate  the  performa nc e  of  B ESS.  T he  dr i ving   cyc le s  de pe nd  on  traff i c   env i ronme nt,  t err ai n  an d  dr i vi ng   ha bits  of  dri ver.  Howe ve r  certai n  set   of   sta nd a r d  c ycles  are  c onside red   i n  this  w ork   w hic h  e mu la te   act ua l  dr i ving  e nviro nm e nts.   The   detai ls  ab ou t   f ew  sa mp le   cyc le s  amo ng  t he  set   are   giv e n   in  Ta ble   1.       Table   1 .   Dr i ving c ycle d et ai ls   Drivin g   cy cle   Distan ce  (km)   Tim e   (sec)   +v e peak   cu rr en t ( A)   - v e peak   cu rr en t ( A)   Av erage  cu rr en t ( A)   Wh/ km   Reg en erative ener g y   av ailab le in th e cy cle ( wh )   Tata  1   1 .85   260   65   - 81   9   137   83   Tata  2   1 .8   200   121   - 102   12   145   150   UDDS   4 .24   300   93   - 63   23   172   80   EU DC   4 .41   195   185   - 59   47   218   9 5 .3       The  “ ta ta 1 ”   an d  “ ta ta 2 ”   are  pract ic al   dr i ving   cycles  obta ine d  in   Ba ngal ore   urba n  a rea.  Th is  is  one  of  the  sam ples   w hich   em ulate s  the  real - w orl d  dr i ving  patte rn  in  t he  ci ty .  Da ta   colle ct ion  is   a  si gn ific a nt  s te p  in   getti ng  this   c yc le   [ 17].   M ost   of  the   ca rs   ha ve   a n  on - boar d  diag no sti c  ( OB D) ,   a   c ompu te r - base d  s ys te m   wh ic h  con ta in s  el ect r on ic   c ontrol  un it   (ECU)   w hich  recei ves  in pu ts  from  var i ous   sens or s   to  c on trol  the  act uato rs  to  get  the  de sired   inf or mati on.  To  ob ta in  t he  data  f or   the  dri ving  cycle,  t he   OBD - I I  ada pt er  is  co nn ect e d  t o  the   OBD  - I I  port  i n  the  ca r.   T he  OBD  s of t war e  commu nicat ed   with  the  car  vi a  US B  an d  pr e sented  t he  dia gnos ti c  inf or mati on .  T he  data   obta in ed  from   t he  O BD  is   sto red  i n  a   read a ble  f ormat   s uch  as   in  M S   E XCE L.  T he   dr i ving  cycle  ob ta ine d  is  show n  in  Fi gure   1.   I n  order   to  make  the  sim ul at ion   faster  a nd  easi er,  t his  dri ving   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Riv ing  cycl e  base d ba tt ery r at ing  selec ti on  and ra nge  analy sis i n  EV  ap plicati ons ( Jy ot hi P  P ha t ak)   639   cycle  is  s plit   in to  tw o  par ts .  “T at a1 ”   a nd  “ ta ta 2 ”   dri vi ng  cy cl es.  Th e  detai ls  are  sho wn  in  Table  1.   O ne  of  the   samples  of  dr i ving c ycles  is   s how n  in   Fig ure   2 .           Figure   1 .   Pr act ic al  d rivi ng cyc le  ( ta ta 1  a nd tat a2)   (ur ban dr iving)           Figure   2 .   U DDS drivi ng cy cl e  (urban  drivi ng)       3.   SEL ECTION   OF TR A CTI ON MOT OR   The  wor k  has   bee n  car ried  ou t  on  sel ect ion   of  tract io n  mo t or   for  E V  an d  detai ls  about  this  i s   exp la ine d  i n pa per [ 23] .   R at in gs   of the  mo t or comp uted  i n [ 23]  a re m e ntio ned in  Table  2.       Table  2 .   Sp eci f ic at ion s  of   m oto r   Moto r  Typ e    Three  p h ase Sq u irr el Cag e I M    Sp ecifica tio n s    1 5  KW, 20 0  V,  4 p o le,  2 5 0 0  RPM    Torq u e ( N m )    3 9 0  Nm  @ 2 5 0 0  RPM    Po wer  ( KW )    1 0 0  @ 2 5 0 0   -   8 0 0 0  RPM    Moment o f  I n ertia     0 .10 7  Kgm 2         4.   EV LO AD EMUL ATIO N   Ele ct ric  pro pu l sion   sy ste m   of   BESS  c onsist s  of  w heels,  m echan ic al   tra nsmi ssion,  tract i on  dri ve  a nd  inv e rter.   It  is   a   co mp le x  s ys te m  c on sist in g  of  bo t h  el ect rica l  an d  m echa ni cal   com pone nt s.  It  is  a ppr ox i mate d  by  an  e quivale nt  cu rr e nt  loa d.  This  act s  a s  a   load  t o  BES S  giv in g  feel  of  virtu al   el ect ric  veh ic le .  The  c urren t   load  is  obtai ne d  as  foll ows.   The  dyna mic  model  of  3   phase  I nductio n  mo to r   (IM )   is   co ns tr ucted   w it h  the   hel p  of  MATL AB   S imuli nk  as  s how n  in  Fi gur e   3  [ 24] .  This   model  co ns id ers  the  s pecifi cat ion s  of   I M   mentio ned  in  Table  2   wh ic h  is  c omp uted  i n  pa pe r  [ 23].   S am ple  dr iving  cycles  di scusse d  in   sect ion   2  a re  gi ven  as  sp ee d  ref e r ences   to   in pu t .  T he  V/F  te ch ni qu e   is  ap plied   to   ge ner at e  sin usoidal  t hr ee   phase  s uppl y  of  prop e r  volt age  a nd   0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 0 100 200 300 400 500 600 SPE ED   IN KM/HR TIME IN SEC 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 0.0 15.0 30.0 45.0 60.0 75.0 90.0 105.0 120.0 135.0 150.0 165.0 180.0 195.0 210.0 225 .0 240.0 255.0 270.0 285.0 300.0 spe ed  in  Km /h r tim e in  second s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   637   –   649   640   fr e qu e nc y  to   e xcite   the  m otor.  T he  l oad  tor qu e   ap plied  t o  the  m otor  in c lud es   t he  ro ll ing  f rict ion   f orce  an d  aerod yn a mic  drag   f orce  of  E V  a ssumi ng   a  le vel  g r ound.   The   pro duct   J *dw/dt   ( J   is   th e  ef fecti ve   m ome nt  of   inerti a  of   t he  veh ic le   an d  m achine  to gethe r )  prov i des  the   acce le rati ng   f or ce .  The  ope n  lo op   sim ulati on   i s   done .  The   in put  pow er  a nd  e nerg y  of  in duc ti on   m otor  are   ob ta ine d  by  ca pturin g  the  i nst antaneo us   val ues  of   ph a se  vo lt age   and  phase   cu rrents.   Since  t he  act ual  in ver te r   model  is  no t  c on si der e d  he re,   the  DC   c urrent   from   the  in ver te r  c orres pondin g  t o  each   dri ving  c ycle  is   ob ta ine d  us in g  t he  (1) .   T his  re presen ts  the  e ntire  ve hicle   load.   The  grap hs   re pre senti ng  the  s pee d,   lo ad  to rque  a nd   Direct  Cu rr e nt   (D C )   cu rr e nt  for  one  of   t he  sample   dr i ving  cycles   is  show n  in   Figure  4,   Fi gure  5  a nd  Fi gur e  6  re sp ect ivel y.   T he  e ff ic ie nc y  of  th e  in ve rter  is   assume d  a s  0.9 .     I DC = ( √ 3 V L I L c os ( ph i ) V DC 0 . 9 )   (1)     wh e re  V L = RMS   li ne   to   li ne   voltag e   of   mo t o r   I L = RMS   li ne   to   li ne   curre nt   of   mo tor .   V DC = DC   bus   voltag e   , phi = co sine   of   an g le   be t we en   V L   an d   I L .           Figure  3. D yna mic mo del  of 3 p hase i nductio n  m otor  (S im ulink   model)           Figure  4. S pee d v/s ti me  gr a ph     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Riv ing  cycl e  base d ba tt ery r at ing  selec ti on  and ra nge  analy sis i n  EV  ap plicati ons ( Jy ot hi P  P ha t ak)   641       Figure  5.  To r que  v/s time   gr a ph       Figure  6. DC c urren t  of the  in ver te r  v /s  ti me  gr a ph       5.   SEL ECTION   OF BATTE R Y RA TI NG F OR  BE S S   The  batte ry   is  connecte d  t o  ve hicle   via  bi dir ect ion al   DC   DC   conver te r.   T he  bus  volt age   is  sel ect ed   as 400V  [ 23 ].   The  c onve rter  act s in  a  boos t  mode  durin g  a ccel erati on   of  veh ic le  a nd ste ps   up the   volt age fr om  250V to  40 0V.  I t act s in  a  buc k  m ode  durin g decel erati on a nd ste ps   dow n  t he vo lt age  from 4 00V  to 2 50V .   The   sel ect io n  of   batte r y  a mp e re - hour  f or  BESS  de pe nd s   on  the  a ver a ge  a nd   pe ak  cu rr e nt  requireme nts  of  dri vi ng   c ycle   an d  the  ra ng e   the  ve hicle   it   has  to   co ver.  The  batte ry  rat ing   is  c omp uted  wit h  ei ther of  t he m et hods : a)  a ve r age c urren t  me thod , a nd  b)  W h/k m  m et ho d .     5.1.   Av er age curre nt  me thod   The  “ ta ta 1 ”   dri ving  c ycle  is  c on si der e d  f or   t he  cal culat io ns.  T he  detai ls  about  this   cycle   are  giv e n  i n  Table  1.     Dista nce tra vel le d  by  “ ta ta 1 ”  =  1.8 5 km   Cycle  dur at i on   (T )  =  260 sec   Ra ng e  of the  vehicl e   = 25 0 k m   Numbe r of cy c le s r eq uire d   (n)   =  250 1 . 85 = 135 . 14   Av e ra ge batt er y  c urren t =  In put cu rr e nt  of boo st  con ver te r   (Ibat)  =  Io ( 1 − D ) = 15   A   Ah of  batte ry   =  I bat ∗ T ∗ n 36 0 0 = 146   Ah   KWH  of ba tt ery   =  250* 146   =   3 6 . 5   kwh   wh e r e, b at te r y v oltage is  250V.     5.2.   Wh/km me tho d   The wat th our/k m for  “ ta ta 1 ”   c al culat ed  is s how n  i n  Ta ble  1.     The wat th our/k m for  “ ta ta 1 ” =   137w h/k m   The  t otal k wh  of the  batte r y  r equ i red to c ov er a ran ge o f 2 50km   =  250 * 137 =  34.3 kwh   A h   of t he batt ery   = (t otal w h of batt er y/b at te ry volt age) =  ( 34.3* 1000 )/ 250  =  137A h   The   kilo watt - hour   cal culat ed   us in g  ab ove   tw o  meth ods   gi ve   simi la r   val ue s.   T he   rati ng  of  batte r y  f or   remaini ng   dr i vi ng   c ycles  are  cal culat ed  with  simi la r  proc edure.  T he  rati ng s  a re  gi ve n  in  Table  3.   T he   “t rial   cycle”   requires   the  highest   ba tt e ry   ca pacit y  amo ng  al l  the   values   cal culat ed  a nd  it   is  62 .5kwh.   I f  t he  s ame   batte ry is util iz ed fo r othe r dr i ving c ycles, t he  r a ng e  of the   veh ic le   gets in creased .       Table  3 .   Ra ti ng  of b at te r y for  d if fer e nt  dr ivi ng cy cl es   Typ e of drivi n g  cycle   Battery  r atin g   Tata  1   1 4 0 Ah ,  2 5 0 V,  3 5   k wh   Tata  2   1 5 0 Ah ,  2 5 0 V,  3 7 . 5  kwh   UDDS   1 7 2  Ah, 25 0 V,  4 3  kwh   Variable sp eed cy c le   2 2 4  Ah, 25 0  V,  56  kwh   Tr ial  cy cle   2 5 0 Ah ,  2 5 0 V,  6 2 . 5  kwh   EU DC   2 1 8 Ah ,  2 5 0 V,  5 4 . 5  kwh   Co n stan t sp eed cy cle   1 9 2  Ah, 25 0  V,  48  kwh       6.   SIMULATI O N  O F BE SS   The  batte r y  e ne rgy  stora ge   s ys te m   co ns ist s   of  li thiu m  i on  batte r y,  bi dire ct ion al   DC / DC   co nverter ,   con t ro ll er   an d cur ren t   loa d.  T he  batte r y  is   in te rf aced  w it h  DC   bus v ia   c onve rter.   T he   in ver te r , IM,  me chan ic al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   637   –   649   642   transmissi on   a nd   ve hicle   are   eff ect ivel y  re pr ese nted  by  a   equ i valent   c urre nt  loa d.   T he   blo c k  diagr a m  an d  simulat ion  m odel   are   dep ic te d  i n  Fi gure   7   a nd  Fi gure   8   res pecti vely .  Generic   m od el   of  batte ry  f rom  si mu li nk   li br ar y  is  c ons idere d  f or  sim ulati on .   T his  model  co ns i de rs  the   batte r y  rati ng s   co mput ed  in   sect io n  5.   T he  simulat ion  m odel   has   tw o  subsyst ems,   “ bidi recti on al   DC / DC   c onve rter ”   bl ock  a nd  “ c ontr oller ”   blo c k.  T he   first  blo c k  op erates  as   a   boos t   c onver te r   du rin g  acce l erati on  m ode   an d  as   a   bu ck  c onve rter   durin g  decele rati on  mode.   T he  c ontr oller  c onsist s  of  t wo  P I D  c ontrolle r s  each  f or  bo ost   operati on   an d  buck   op e rati on  of   c onve rter  res pe ct ively.  The   P I D  c ontr oller  c orres pondin g  t o  boos t   op e rati on  is   sho wn  in   Fig ure   9 .           Figure  7. Bl oc k  diag ram of  B ESS           Figure  8. Sim ul ink  m odel   of   BESS   Variable  cu rr en t load   Bat tery   Bidirect io n al  DC/DC  co nverter   V bus   Vbu s   Contr oller   V ref   Puls es  to  IGBT   switc hes   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Riv ing  cycl e  base d ba tt ery r at ing  selec ti on  and ra nge  analy sis i n  EV  ap plicati ons ( Jy ot hi P  P ha t ak)   643       Figure  9. PID  con t ro ll er  an d cur ren t c ontr ol       6.1.  C on tr ol s t rat e gy   The  co ntr oller   identifie s  the  modes  of  ope r at ion   of  ve hicle   su ch  as  acce le rati on ,  decel erati on,  rest   and  c onsta nt  s peed  by  detect i ng  the   loa d  c urren t   an d  spe ed  of  th e  ve hicle .  T he  c ontr olli ng  pa ramet ers  of   BESS  are ,   S O C  of   batte ry,  ba tt ery   cu rr e nt   a nd   DC   bu s   volt age.   W hen   t he  veh ic le   is  at   re st,  the  batte r y  s hould  be  c harge d  to  it s max im um S OC.  T he  c ontr oller ma kes su r e that t he   SO C   is eq ual to its  maxim um   val ue .   Durin g  acce le r at ion  m od e ,  ba tt ery   sup plies  e nergy  t o  t he   loa d  th rou gh  boos t   ope rati on.   T he   PID   con t ro ll er  ge ne rates  pulse s  t o  I GBT  by  r egu la ti ng  DC   bu s   volt age  a nd  batte r y  dis charge  c urre nt.  The   “ con t ro ll er ”   se nd s   thes e  I GB T  pulse s  t o  bo os t  c onve rter  by  mainta inin g  the  S OC  of  batte ry  in   the  safe   li mit s.   The  maxim um  an d  mi nimum   li mit s  of   SOC   mainta ine d  by  co ntr oller  a re  95%   an d  25%  respec ti vely.   T he   schemati c  of  BESS  co nnect ed   to  var ia ble  cu r ren t  loa d  du rin g  acce le rati on  is   sh ow n  in  Fi gure  10.    D ur i ng   t he  ti me  Ton,  the  I GBT  s witc h  S W1  is  O N  a nd   diode  is  O FF.  The  batte ry   c urre nt  flo ws  t hroug h  the  i nduc tor  a nd   switc h  S W 1.   The  in duct or  c urren t  rises  li ne arly  a nd  ene r gy  gets  st or e d  in  the  i nducto r .  The   loa d  c urren t  is   su ppli ed   b y  filt er  ca pacit or.  The   ci rc uit  co r respo nd i ng  t o  this  m ode  is   s how n  i n  Fig ure   11   (a ) .   Durin g  To ff ,   diode  gets  for ward  biase d  a nd  st or e d  e ne rgy   i n  the   in duct or  gets   tra ns fe r red  to   filt er  ca pacit or  an d  loa d.  The   load  c urre nt is  su ppli ed  by bat te ry .  Th e  circ u it  co r res pondin g  to  this  mode  is sh own  i n  Fi gure   11  (b).   Applyi ng KVL  and  KCL to  th e circuit   of  Fig ur e   11  (a),   ( S W1 is  ON)   [25 ].     V L = V b − I b × ( R b + R L + R sw1 )   (2)     I L = I b   (3)     I c = I L oad   (4)     V c = V bus   (5)     Applyi ng KVL  to  the  circ uit o f  Fi gure   11( b) ,   (SW1  is OFF) .     V L = V b − V bus − I b × ( R b + R L + R D )   (6)     I L = I b   (7)     I c = I b − I L oad   (8)     V c = V bus   (9)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   637   –   649   644       Figure  10.   Ba tt ery Ene r gy Sto rag e  S ys te m  to  curre nt L oad duri ng accel erat ion   mode         (a)       (b)     Figure   11.   C onver te r  in b oost  op e rati on , (a)   wh e n SW 1   is   OF F  & dio de  i s forwar d biase d , ( b) wh e n SW 1   is  ON &  diode is   rev e rse d biased)       Durin g  dec el er at ion   m od e ,   ba tt ery   abs orbs  t he  re generati ve   energy   from   the  ve hicle   throu gh   bu c k  op e rati on  ti ll   the  batte ry  re aches   it s   ma xi mu m   S OC.  T he  PID  c ontro ll er  ge ner at es   pu lse s   to   I GB T  b y  regulat ing  DC   bu s   volt age.   T he  “ c ontr oller ”   se nd s   the se  I GBT  pulse s  t o  buc k  c onve rte r  by  mainta ini ng  the  SO C  of  batte ry   in  the  sa fe  l imi ts.   The  sc he mati c  of   BES S  co nn ect e d  to  va riable  c urr ent   load  is  s ho wn   i n  Figure  12 .  D uri ng   T on  pe rio d,  SW1  is  ON,  diode  is  O FF,   the  batte r y  ab s orbs  the  ene rgy  f rom  the  l oa d.   T he   ci rcu it   relat ed  to  this  pe rio d  i s  show n  in  Fig ur e   13  (a ) .  Dur ing   T off  per i od,  S W 1  is  O F F,  di od e  gets  f orward  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Riv ing  cycl e  base d ba tt ery r at ing  selec ti on  and ra nge  analy sis i n  EV  ap plicati ons ( Jy ot hi P  P ha t ak)   645   biased  a nd   st ored  ene rgy   in  t he   inductor  fr ee wh eel s  th r ough  loa d  an d  di ode  ti ll   the  ind uc tor  cu rr e nt  be comes   zero. T he  ci rc ui t i s sh ow n  in   Figure   13 (b ) .    Applyi ng KVL  and  KCL to  circuit  of   Fig ur e 13 ( a ),   (SW 1  is  ON, dio de  is   OF F ).     V L = V bus − V b − I L oad ( R sw1 + R L + R b )   (10)     I L = I L oad   (11)     V c = V b + I b R b   (12)     I c = I L oad − I b   (13)           Figure  12.  Ba tt ery ene rgy st orage s ys te m   c on nected t o  c urre nt loa d durin g   decele rati on   m od e         (a)       (b)     Figure  13.   B uc k op e rati on , (a)   SW1 is  ON, di od e  is  OF F ) , (b )  S W 1  is  OF F , dio de  is  O N     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   637   –   649   646   Applyi ng KVL  and  KCL to  circuit  of   Fig ur e   13 (b),  (SW1  is O F F, dio de  is  ON).     V L = − V b − I L oad ( R sw 1 + R L + R b )   (14)     I L = I L oad   (15)     V c = V b + I b R b   (16)     I c = I L oad − I b   (17)     V b =batt er y   volt age;  Rb=i nte rn al   r esi sta nce   of   b at te r y ;  L =fil te r  inducto r;  R L =fil te r  re sist ance ;  R D =dio de  forw a r d  resist ance;  C= filt er  c apacit ance ;  R s w1 =on  sta te   res ist ance  of  swit ch  SW1;  R sw2 =on  sta te   resist ance  of   switc h  S W2 ;   V d =di od e   f or ward  volt age ;  V L = vo lt a ge  acro s s  t h e  i nducto r ;  I b = batte ry  c urren t;   I lo ad =l oad   current ;  I c =cu r ren t t hroug h fil te r  capaci to r ;  Vc=filt er ca pa ci tor vo lt age .       7.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   The  sim ulati on  is  carrie d  out  for  diff e ren t  dri vin g  m od es   of   ve hicle   by  co ns ide rin g  diff e ren t  dr i vin g  cycles. Th e   re s ults  are   ta bula te d  i n  Ta ble  4 .   The  bus volt ag e  is  re gula te d  a rou nd  40 0V  a nd  t he  S OC of bat te ry   is  well  w it hi n  t he  li mit s.   T he  simulat ion gr a ph s   a re   sho wn in  Fi gure   14   a nd Fig ur e 15.   T he   sel ect ion of b at te ry   rati ng   de pends   on  the  t yp e  of  dri vi ng   c ycl e .  I f  the  batte r y  rec overs   m ore  ene r gy   duri ng  decele r at io n ,  t he  eff ect ive   e nerg y  c ons um e d  by  it   re du ce s.   Con s eq ue ntly,   the  ra ng e   of  th e  ve hicle   i ncr e ases.  This   is  s how n  i n  the  Fig ure   16 .   The  C  rati ng  of the  batte ry is  mainta ine d 2C  durin g discha r ge of  b at te r y.         Table  4 .   Simul at ion   resu lt s  of BESS   Typ e   Ran g e ( k m )   C rate  d u ring   d isch arge   C rate  d u ring   ch arge   Energy  r ecov ered  (wh)   v ariable  sp eed cy cle   363   1 .4   2 .2   252   co n stan t  sp eed cy cle   239   1 .35   0   0   Tata1   255   1   0 .7   92   Tata2   262   1 .9   1 .3   128   UDDS   240   1 .1   0 .4   87   EU DC   237   1 .98   0 .46   92   Tr ial  cy cle   278   1 .14   0 .88   140           Figure   1 4.   (a)  Dr i ving c ycle;   ( b) B us   vo lt ag e;   ( c) Batt er y  c urren t :   ( d) S O C of batte r y       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.