Batteridimensionering för busslinje 64 i Göteborg - Battery sizing for bus line 64 in Gothenburg

Abstract

The transition of the transport sector towards electrification is a critical component for achieving national and global climate goals. For public transport in Gothenburg, this entails a shift from internal combustion engines to battery-electric buses, placing high demands on precise battery sizing to balance vehicle weight, lifespan, and environmental impact. This bachelor’s thesis investigates optimal battery sizing for bus line 64 in Gothenburg by evaluating energy requirements and battery health under realistic driving conditions. The work is based on empirical driving data collected via GPS measurements, which form the basis for a simulation model of vehicle dynamics and power demand. The battery system is modeled using a Dual Polarization (DP) equivalent circuit to achieve high accuracy in voltage and State of Charge (SoC) estimation. The degradation of the battery’s State of Health (SoH) is simulated using the Olmos degradation model for NMC chemistry, considering factors such as C-rate, depth of discharge (ΔSoC), and mean State of Charge (mSoC). Four sizing scenarios are evaluated under realistic operating conditions. The results show that aggressive SoC intervals and high C-rates during opportunity charging lead to unsustainably rapid degradation. The study concludes that Case 3, with a nominal battery capacity of 190.9 kWh and a narrow operational SoC window of 10–30 %, is the most optimal configuration for line 64. This strategy results in an estimated lifespan of approximately 7.4 years and minimizes the total climate impact to 143 tons of CO2e over a 20-year period by reducing the frequency of battery replacements without burdening the vehicle with excessive mass.

Transportsektorns omställning mot elektrifiering är en kritisk komponent för att nå nationella och globala klimatmål. För kollektivtrafiken i Göteborg innebär detta ett skifte från förbränningsmotorer till batteridrivna elektriska bussar, vilket ställer höga krav på noggrann batteridimensionering för att balansera fordonets vikt, livslängd och miljöpåverkan. Detta kandidatarbete undersöker optimal batteridimensionering för busslinje 64 i Göteborg genom att utvärdera energibehov och batterihälsa under realistiska körförhållanden. Arbetet baseras på empirisk kördata insamlade via GPS-mätningar, vilka ligger till grund för en simuleringsmodell av fordonets dynamik och effektbehov. Batterisystemet modelleras med ett ekvivalent kretsschema av typen Dual Polarization (DP) för att erhålla hög noggrannhet i spännings- och SoC-estimering (State of Charge). Degraderingen av batteriets hälsotillstånd (State of Health, SoH) simuleras med hjälp av Olmos degraderingsmodell för NMC-kemi, där faktorer som C-rate, urladdningsdjup (ΔSoC) och genomsnittlig laddnivå (mSoC) beaktas. Fyra dimensioneringsscenarier utvärderas under realistiska driftförhållanden. Resultaten visar att aggressiva SoC-intervall och hög C-rate vid ändstationsladdning leder till en ohållbart snabb degradering. Studien konkluderar att fall 3, med en nominell batterikapacitet på 190,9 kWh och ett smalt operativt SoC-fönster på 10–30 %, är den mest optimala konfigurationen för linje 64. Denna strategi medför en beräknad livslängd på ca 7,4 år och minimerar den totala klimatbelastningen till 143 ton CO2e över en 20- årsperiod genom att reducera frekvensen av batteribyten utan att belasta fordonet med överdriven massa.