https://hdl.handle.net/20.500.11984/460 Fri, 10 Jul 2026 12:55:05 GMT 2026-07-10T12:55:05Z https://hdl.handle.net/20.500.11984/14622 Desarrollo de la guía CircularTRANS para ayudar a las empresas industriales de la CAPV a mejorar su competitividad a través de la Economía Circular Urain Descarga, Idoia El Pacto Verde Europeo (PV), la estrategia de crecimiento económico con la que Europa quiere impulsar la innovación, la competitividad y el empleo, tiene como base una economía respetuosa con el medio ambiente. Entre las principales directrices que marca el PV está la transición hacia una Economía Circular (EC) para el aprovechamiento máximo de los recursos. Desde la Unión Europea (UE) se están realizando a cabo diferentes acciones para impulsar la EC (taxonomía europea para finanzas sostenibles, iniciativa de producto sostenible, etc.), y éstas se están trasladando a nivel estatal y autonómico. Teniendo la UE como referencia tanto España como la Comunidad Autónoma del País Vasco (CAPV) están desarrollando sus propias estrategias para que se integre la EC en la sociedad y en las empresas. Por ello, es necesario impulsar el tránsito hacia la EC tanto de empresas como de la sociedad. Algunas de las soluciones de la EC (reparar, reutilizar, reacondicionar, reciclar) no son nuevas ni para la sociedad ni para las organizaciones, ya que se han aplicado cuando la situación lo ha requerido. Pero actualmente, con la fuerza que va a adquirir el PV, las actuaciones de la EC no van a ser aisladas, sino que deben integrarse en las sistemáticas de la sociedad y de las empresas. Por ello, el objetivo de esta tesis doctoral ha sido desarrollar la guía CircularTRANS para ayudar a las empresas industriales de la CAPV a mejorar su competitividad a través de la EC. La metodología seguida consiste en una investigación en acción (IA) para la creación de la guía CircularTRANS y su aplicación en dos casos de estudio para la validación. La guía CircularTRANS (https://circulartrans.mondragon.edu/es/inicio) consiste en un proceso compuesto por cinco pasos: i) diagnóstico, ii) resultados, iii) selección de oportunidades, iv) plan de acción y v) hoja de ruta. El diagnóstico se realiza con el cuestionario Industrial Circular Economy Questionnaire (ICEQ) que da respuesta a los gaps identificados en el análisis de: i) cuestionarios y encuestas diagnóstico de EC, ii) herramientas de evaluación de la EC y iii) normas armonizadas de sistemas de gestión y EC. La validación del cuestionario se ha llevado a cabo en 30 empresas de 17 sectores industriales y ha permitido identificar necesidades de capacitación de las empresas en este ámbito, indicadores para integrar la EC en la organización y la necesidad de optimizar procesos bajo una visión de EC. Por ello, tras una revisión del estado del arte y co-creando con empresas de diversos sectores, se ha desarrollado el modelo de indicadores INMOIN Circular. El modelo propone 433 indicadores organizados en 12 áreas funcionales para que las organizaciones puedan gestionar el progreso de la EC en base a sus necesidades. Además, se desarrolla la herramienta Eco-productividad Industrial que permite a las empresas medir el nivel de despilfarros productivos, eficiencia productiva y ecoeficiencia (aspectos incluidos dentro de los 433 indicadores) con el fin de identificar áreas de mejora. La guía CircularTRANS está siendo utilizada por más de 100 empresas y en esta tesis se muestra la validación en dos casos de estudio: Mugafil (sector industrial) y Clínica Dental Urraca (sector servicios). El proceso seguido ha permitido, en los dos casos de estudio, guiarles en el tránsito a la EC. Por una parte, en el caso de Mugafil, la empresa ha integrado la EC en la estrategia de la organización, ha definido indicadores para las estrategias de regenerar, optimizar recursos y cierre de ciclos y ha aplicado la herramienta Eco-productividad Industrial. Todo ello ha supuesto una mejora de la competitividad al aumentar la productividad (disminución de tiempos de cambio), la disminución de costes de la energía (uso de energías renovables) y la gestión de residuos (disminución del residuo gestionado). Por otra parte, la clínica ha integrado la EC en la estrategia de la organización, ha definido indicadores para todas las estrategias de EC. Todo ello ha supuesto una mejora en la competitividad al disminuir y optimizar el uso de recursos (consumo energético y agua), alargar la vida útil de los productos (minimizando el uso de productos de un solo uso) y favorecer el cierre de ciclos (disminución del residuo gestionado). Para finalizar, se concluye que la guía CircularTRANS está ayudando a las empresas a: i) comprender qué hay detrás de la EC y cómo abordarla, ii) integrar la EC en las estrategias de las organizaciones y definir KPIs e iii) incrementar su competitividad al integrar oportunidades identificadas en los pasos de la guía. A su vez, el modelo de indicadores INMOIN Circular permite a las empresas conocer el nivel de integración de la EC en 12 áreas de la organización y su cadena de valor, conocer cuáles son las estrategias de la EC que se trabajan e identificar las oportunidades de mejora para incrementar su competitividad. Asimismo, la herramienta Eco-productividad Industrial integra todos los aspectos relacionados con la optimización de los recursos productivos a través del cálculo del despilfarro productivo, la eficiencia productiva y la ecoeficiencia, integrando así la EC en el proceso productivo.; Europako Itun Berdeak (EIB), Europak berrikuntza, lehiakortasuna eta enplegua bultzatzeko erabili nahi duen hazkunde ekonomikoko estrategiak, ingurumena errespetatzen duen ekonomia du oinarri. EIBak ezartzen dituen jarraibide nagusien artean dago Ekonomia Zirkularrerako (EZ) trantsizioa, baliabideak ahalik eta gehien aprobetxatzeko. Europar Batasuna (EB) hainbat ekintza egiten ari da EZ bultzatzeko (finantza jasangarrietarako taxonomia europarra, produktu jasangarriaren ekimena, etab.), eta ekintza horiek estatu eta autonomia mailan egiten ari dira. EB erreferentziatzat hartuta, Espainia eta Euskal Autonomia Erkidegoak (EAE) beren estrategiak garatzen ari dira EZ gizartean eta enpresetan integra dadin. Horregatik, beharrezkoa da enpresen zein gizartearen EZrako trantsizioa bultzatzea. EZren irtenbideetako batzuk (konpontzea, berrerabiltzea, berregokitzea, birziklatzea) ez dira berriak ez gizartearentzat, ez erakundeentzat, egoerak hala eskatu duenean erabili izan dira-eta. Gaur egun, ordea, Itun Berdeak hartuko duen indarrarekin, EZren jarduerak ez dira kasu solteak izango, baizik eta gizartearen eta enpresen sistematiketan txertatu beharko den zerbait. Horregatik, doktorego tesi honen helburua izan da CircularTRANS gida garatzea, zeinarekin EAEko industria enpresei lagunduko zaien EZren bidez lehiakorragoak izaten. Ikerketarako erabilitako metodologia honako hau da: jarduneko saiakuntza CircularTRANS gida sortzeko, eta azterketako bi kasu aplikatzea ikerketa baliozkotzeko. CircularTRANS gida (https://circulartrans.mondragon.edu/eu/hasiera) bost urratsez osatutako prozesu batean datza: i) diagnostikoa, ii) emaitzak, iii) aukeren hautaketa, iv) ekintza plana eta, v) bide orria. Diagnostikoa Industrial Circular Economy Questionnaire (ICEQ) galdetegiarekin egin da. Galdetegi horrek hauek aztertzean identifikatutako gap-ei erantzuten die: i) EZren diagnostikoko galdetegiak eta inkestak, ii) EZ ebaluatzeko tresnak, iii) kudeaketa sistemen eta EZren arau bateratuak. Galdetegia 17 industria sektoretako 30 enpresatan baliozkotu da, eta baliozkotzean aukera egon da enpresek arlo horretan dituzten trebakuntza beharrak identifikatzeko, EZ erakundean integratzeko adierazleak zehazteko eta prozesuak EZren ikuspegitik optimizatzeko beharra identifikatzeko. Horregatik, orain arte egindakoa berrikusi ondoren eta hainbat sektoretako enpresekin batera sortuz, INMOIN Circular adierazleen eredua garatu da. Ereduak 433 adierazle proposatzen ditu, 12 arlo funtzionaletan antolatuta, erakundeek EZren aurrerapena kudeatu ahal izan dezaten, beren premien arabera. Gainera, Eko-produktibitate Industriala tresna garatu da. Horri esker, enpresek produkzioan xahutzen dena, produkzioaren efizientzia eta ekoefizientzia neurtu ahal izango dituzte, hobetu beharreko arloak identifikatzeko (433 adierazleen barruan sartutako alderdiak). CircularTRANS gida 100 enpresa baino gehiagok erabiltzen dute, eta tesi honetan azterketako bi kasutan baliozkotzea erakusten da: Mugafil (industria sektorea) eta Urraca Hortz Klinika (zerbitzu sektorea). Jarraitutako prozesuari esker, azterketako bi kasuetan, EZrako bidean gidatu ahal izan dira enpresa biak. Alde batetik, Mugafilen kasuan, enpresak EZ erakundearen estrategian txertatu du, baliabide berriztagarriak erabiltzeko, baliabideak optimizatzeko eta zikloak ixteko estrategietarako adierazleak zehaztu ditu eta Eko-produktibitate Industriala tresna aplikatu dute. Horrek guztiak lehiakortasuna hobetzea ekarri du, produktibitatea handitu (aldaketa-denboren murrizketa) eta energiaren kostuak (energia berriztagarrien erabilera) eta hondakinen kudeaketa (kudeatutako hondakinaren murrizketa) gutxitu egin baitira. Klinikak, berriz, EZ erakundearen estrategian txertatu du, eta EZren estrategia guztietarako adierazleak zehaztu ditu. Horrek guztiak lehiakortasuna hobetzea ekarri du, baliabideen erabilera murriztu eta optimizatu baitu (energia kontsumoa, eta ura), produktuen balio bizitza luzatu baitu (erabilera bakarreko produktuen erabilera minimizatuz) eta zikloak itxi baititu (kudeatutako hondakinaren murrizketa). Amaitzeko, ondorioztatu da CircularTRANS gida hau egiteko lagungarri izaten ari dela enpresentzat, hau egiten laguntzen dielako: i) EZren atzean zer dagoen ulertzen eta EZri nola heldu jakiten; ii) EZ erakundeen estrategietan txertatzen eta KPIak definitzen; eta iii) lehiakorragoak izaten, gidaren urratsetan identifikatutako aukerak integratzean. Era berean, INMOIN Circular adierazleen ereduak enpresei aukera ematen die jakiteko zenbateraino integratuta dagoen EZ erakundearen 12 arlotan eta balio katean eta EZren zer estrategiak lantzen diren erakundean, eta beren lehiakortasuna areagotzeko dituzten hobekuntza aukerak identifikatzeko. Halaber, Eko-produktibitate Industriala tresnak produkzio baliabideak optimizatzearekin lotutako alderdi guztiak biltzen ditu, produkzioan xahutzen dena, produkzioaren efizientzia eta ekoefizientzia kalkulatuz; horrela, EZ produkzio prozesuan integratzen da.; The European Green Deal (GD), the economic growth strategy with which Europe aims to boost innovation, competitiveness and employment, is based on an environmentally friendly economy. Among the main guidelines set by the Green Pact is the transition to a Circular Economy (CE) to make maximum use of resources. The European Union (EU) is carrying out different actions to promote the CE (European taxonomy for sustainable finance, sustainable product initiative, etc.), and these are being carried out at state and regional level. Taking the EU as a reference, both Spain and the Autonomous Community of the Basque Country (ACBC) are developing their own strategies to integrate CE into society and companies. Therefore, it is necessary to promote the transition towards CE both for companies and society. Some of the CE solutions (repair, reuse, refurbish, recondition, recycle) are not new to society or to organizations, as they have been implemented when the situation has required it. But today, with the strength that the European PV is acquiring, CE actions will not be isolated, but must be integrated into the different systems of society and companies. Therefore, the objective of this doctoral thesis has been to develop the CircularTRANS guide that helps industrial companies in the Basque Autonomous Community to improve their competitiveness through CE. The methodology used for the research consists of an Action Research (AR) for the creation of the CircularTRANS guide and the application of two case studies for validation. The CircularTRANS guide (https://circulartrans.mondragon.edu/en/home) consists of a five-step process: i) diagnosis, ii) results, iii) selection of opportunities, iv) action plan and v) roadmap. The diagnosis was carried out with the Industrial Circular Economy Questionnaire (ICEQ), which responds to the shortcomings identified in the analysis of: i) diagnostic questionnaires and surveys on CE, ii) CE assessment tools, and iii) harmonized standards for management systems and CE. The validation of the questionnaire has been carried out in 30 companies from 17 industrial sectors and has made it possible to identify training needs of companies in this area, indicators for CE integration in the organization and the need to optimize processes under a CE vision. Therefore, after a review of the state of the art and co-creating with companies from different sectors, the INMOIN Circular indicators model has been developed. The model proposes 433 indicators organized in 12 functional areas so that organizations can manage the progress of their CE based on their needs. In addition, the Industrial Eco-productivity tool has been developed to allow companies to measure the level of production waste, production efficiency and eco-efficiency in order to identify areas for improvement (aspects included in the 433 indicators). The CircularTRANS guide is being used by more than 100 companies and this thesis shows its validation in two case studies: Mugafil (industrial sector) and Clínica Dental Urraca (service sector). In both cases, the process used has provided valuable guidance, facilitating their transition to the CE. On the one hand, in the case of Mugafil, the company has integrated CE into the organization's strategy, has defined indicators for the strategies of using renewable resources, optimizing resources and closing cycles and has applied the Industrial Eco-productivity tool. All this has led to an improvement in competitiveness by increasing productivity (decreasing changeover times), reducing energy costs (use of renewable energy) and waste management (reduction of managed waste). Moreover, in the case of the clinic, they have integrated CE into the organization's strategy and have defined indicators for all CE strategies. All this has led to improved competitiveness by reducing and optimizing the use of resources (energy consumption and water), extending the lifespan of products (minimizing the use of single-use products) and closing cycles (reduction of managed waste). Finally, it is concluded that the CircularTRANS guide is helping companies to: i) understand what lies behind CE and how to address it, ii) integrate CE into the strategies of organizations and define KPIs, and iii) increase their competitiveness by integrating opportunities identified in the steps of the guide. In turn, the INMOIN Circular indicators model allows companies to know the level of CE integration across 12 areas of the organization and its value chain, to know which CE strategies are being worked on in the organization, and to identify opportunities for improvement to increase their competitiveness. Likewise, the Industrial Eco-productivity tool integrates all aspects related to the optimization of productive resources through the calculation of productive waste, productive efficiency and eco-efficiency, thus integrating CE into the productive process. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/20.500.11984/14622 2024-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/20.500.11984/14621 Impact of wide bandgap semiconductors on vertical traction systems Alberdi Esuain, Borja As global energy demands grow and competition intensifies, industries face the dual challenge of reducing emissions while maintaining performance. In this context, optimizing power management systems, which are built around semiconductor transistors, plays a key role. Silicon has long dominated this field, but the emergence of Wide BandGap (WBG) semiconductors, offering superior electrical properties, is set to reshape the landscape. Leveraging their advantages can enhance the competitiveness of power electronics, though their adoption requires a comprehensive system redesign. The full potential of WBG materials in industrial applications remains underexplored, and further research is needed. This thesis presents a comprehensive study and practical framework for the integration of WBG semiconductors in power electronic systems. The document begins with a state-of-the-art review of WBG materials and emerging semiconductor technologies, comparing their advantages using various Figures of Merit (FOM) and examining current market trends, Chapter 2. Chapter 3 focuses on GaN HEMT technology, with particular emphasis on Gallium Nitride (GaN) Gate Injection Transistors (GIT) for high-voltage applications. Key integration challenges are discussed, supported by experimental analysis of critical factors such as saturation current, dynamic on-resistance, and short-circuit robustness. To support WBG integration in power converter design, an equation-based, customizable analytical model is developed in Chapter 4, which is configured to estimate switching transitions and power losses. The model is validated experimentally using a Silicon Metal Oxide Field Effect Transistor (MOSFET) push-pull DC/DC converter. In Chapter 5, the lift application is explored as a case study, and after studying various possible scenarios for WBG integration, a GaN-based DC/DC converter is designed. In this design, the presented tool is employed and experimentally validated, confirming the model’s applicability to WBG devices. A soft-switching converter using Si-MOSFETs is also developed under the same specifications, enabling a comparative discussion of hard- vs. soft-switching topologies across semiconductor technologies. Lastly, a high-voltage GaN HEMT converter design is presented, outlining future research directions and concluding the work.; Industriaren energia eskaera handitzen joan da azken urteetan zehar, eta honekin batera negutegi efektuko isuriek marka berriak hautsi dituzte. Industriako sektore ezberdinak birplanteatzeko beharra dago, ikuspuntua mundu iraunkorrago batean jarrita, baina aldi berean, lehiakortasuna mantentzea funtsezkoa da hainbat sektoretan. Energiaren kontrolak eta manipulazioak garrantzi handia dauka ikuspuntu berri honetan. Potentzia elektronikari erreparatuta, material erdieroaleetan oinarritutako transistoreak erabili dira bihurgailuak sortzeko, eta orain arte Silizioa izan da transistoreak eraikitzeko erabili den materiala. Transistoreen eskaera mailaren hazkundearekin batera hobekuntza jarraia jasan du teknologia honek gaur egun arte; alabaina, azken urteetako material erdieroale berriek, banda zabaleko erdieroaleek (WBG) hain zuzen ere, Silizioak baino ezaugarri elektriko hobeagoak eskaintzen dituzte. Banda zabaleko erdieroaleetan oinarritutako transistoreek egungo bihurgailuak birplanteatzeko eta hobetzeko aukera ematen digute. Hala ere, transistore hauen portaera eta eskaintzen dituzten onuren aprobetxamendua aztertzeko dago oraindik, eta Silizioan oinarritutako sistema batetan integratzea ez da berehalakoa. Horregatik, tesi dokumentu honetan, banda zabaleko transistoreak egungo potentzi elektronikan integratzeko prozesua eta honen inguruan egindako ikerketa biltzen dira. 1. kapitulua tesiaren sarrerari eta planteamenduari dagokio. Dokumentu honen 2. kapituluan Siliziozko eta WBG erdieroaleen egungo egoera azaltzen da. Hainbat adierazleei (FOM ezberdinei) erreparatuta, teknologia hauen konparaketa erakusten da, merkatuaren joera berriak azalduz. 3. kapituluan, GaN teknologiaren ikerketa sakonago bat aurkezten da. Bertan, GaN GIT transistoreen ezaugarriak eta ezberdintasunak aztertzen dira tentsio altuko aplikazioetarako, bereziki saturazio korrontean, erresistentzia dinamikoan, eta zirkuitu laburreko ezaugarrietan erreparatuta. Banda zabaleko erdieroaleen integrazioa errazteko, ekuazio polinomikoak oinarri bezela hartuz modelo analitiko bat garatu da 4. kapituluan, transistore ezberdinen konparaketa egiteko eta hauen uhin forma kritikoak estimatzeko erabili dena. Aurkeztutako modelaketa prozesua Siliziozko push-pull bihurgailu batekin balidatu ondoren, 5. kapituloan, trakzio bertikaleko sistema baten nondik norakoak azaltzen dira, potentzi elektronikako ikerketa kasu bezela. GaN erdieroaleak erabiliz, eta aurkeztutako modeloen laguntzaz, DC/DC bihurgailu baten diseinua gauzatu da. Propotipoaren emaitzak alderatzeko asmoz, beste DC/DC bihurgailu bat disenatu da, oraingoan Siliziozko MOSFETak erabilita, baina konmutazio gogorrak izan ordez, konmutazio lehunak lortzeko topologia aldaketa bat proposatu da. Azkenik, GaN GITetan oinarritutako hirugarren bihurgailu baten diseinua aurkezten da, eta dokumentuari amaiera emateko, etorkizunerako ildoak eta tesian lortutako ondorio nagusiak aurkezten dira.; En las últimas décadas, el aumento de la demanda energética industrial ha impulsado récords históricos de emisiones. Para mitigar el cambio climático, es necesario replantear los sectores industriales con un enfoque sostenible. No obstante, la alta competitividad de algunos sectores dificulta esta transformación. En este contexto, el control y la conversión de energía eléctrica cobran especial relevancia. La electrónica de potencia moderna ha evolucionado gracias al Silicio, cuyo uso en dispositivos de potencia ha alcanzado un alto grado de madurez, acercándose a los límites físicos del material. No obstante, todo apunta a un cambio de rumbo, donde nuevos materiales semiconductores de banda ancha prohibida (WBG) prometen mejores prestaciones eléctricas que las del Silicio. Estos semiconductores ofrecen la posibilidad de rediseñar y mejorar la electrónica de potencia actual. Sin embargo, todavía queda trabajo y tiempo de investigación hasta llegar a la integración completa de estos nuevos dispositivos. Una vez se han definido las bases fundamentales de la tesis a desarrollar en el Capítulo 1, el documento prosigue con una revisión del estado del arte sobre los materiales WBG y las nuevas tecnologías de semiconductores, comparando sus ventajas mediante diversas Figuras de Mérito (FOM) y analizando las tendencias actuales del mercado, Capítulo 2. El Capítulo 3 se centra en la tecnología GaN HEMT, con especial énfasis en los dispositivos GaN GIT para aplicaciones de alta tensión. Se discuten los principales desafíos de integración, respaldados por análisis experimentales de factores críticos como la corriente de saturación, la resistencia dinámica en conducción y la robustez frente a cortocircuitos. Para facilitar la integración de dispositivos WBG en el diseño de convertidores de potencia, en el Capítulo 4 se desarrolla un modelo analítico flexible basado en ecuaciones polinómicas, configurado para estimar las transiciones de conmutación y las pérdidas de potencia. El modelo se valida experimentalmente mediante un convertidor push-pull DC/DC basado en Si-MOSFET. En el Capítulo 5 se estudia la aplicación en sistemas de elevación como caso de estudio. Tras analizar diversos escenarios posibles para la integración de WBG, se diseña un convertidor DC/DC basado en GaN. En este diseño se utiliza y valida experimentalmente la herramienta presentada, confirmando su aplicabilidad a dispositivos WBG. También se desarrolla un convertidor con conmutaciones suaves utilizando Si-MOSFETs bajo las mismas especificaciones, lo que permite una comparativa detallada entre topologías de conmutación dura y suave a través de diferentes tecnologías de semiconductores. Finalmente, se presenta el diseño de un convertidor de alta tensión basado en GaN HEMTs, y se concluye el documento señalando posibles líneas de investigación futuras. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/20.500.11984/14621 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/20.500.11984/14620 Towards optimal power distribution strategies for modular batteries : Ageing-aware predictive management Dorronsoro, Xabier Over the last few years, the battery system industry has shown a steady growth, largely as a consequence of a pressing energy transition that calls for sustainable alternatives to conventional energetic model. Despite areas for improvement, Li-ion batteries have emerged as a leading storage system, outperforming numerous competing options. In the development of these systems, multiple scales are evident, which complicates their integration in practice. Spanning from the small scale, with portable electronic devices, to the large scale, with storage systems fulfilling grid level functions, via the medium scale, with private or commercial means of transport. This research focuses on medium and large storage systems, which are characterised by a design, control and security that transcends a single or few cells. Such systems assemble independent modules and make serial and/or parallel connections, scaling up to the dimensions required by the application. Notwithstanding an increase in the adoption of these systems, it is relevant to note that both the asymmetries between the different cells and modules, as well as the growing interest of some applications in second life batteries, dictate the need for maximising the potential of modular configurations. In this context, this thesis aims to design a predictive control, based on the electro-thermal and degradation model of the battery, to determine the power distribution across different modules, in order to optimise the performance and lifetime of the battery. Results illustrate, on the one hand, the feasibility of implementing this control strategy to obtain better quantitative results than those met with a control that distributes the power demand, based on the nominal capacity of each module. On the other hand, obtained operating dynamics reveal that reducing divergences between state variables of different modules, such as temperature or state of charge, need not always be the optimal solution. Therefore, the formulated control strategy supports the initial hypothesis and confirms the fulfilment of the main objective.; Azken urteotan, bateria sistemen garapenean diarduen industriak hazkunde etengabea izan du, ohiko energia eredua aukera jasangarriagoengatik ordezkatu nahiaren edo beharraren ondorioz, hein handi baten. Biltegiratze sistema horien hedapen prozesuan, bereziki, Li-ioetan oinarrituriko teknologiak hartu dute aurrea, gaur egungo sistemek hobekuntza esanguratsuak behar izan arren. Sistema horien garapenean, hainbat aplikazio maila sailkatzen dira, bakoitza ezaugarri bereizgarriekin, eta horrek, azken finean, BESSen integratzea zailtzen du. Aplikazio maila horren adibide dira, eskala txikiko gailu elektroniko mugikorrak, eskala ertaineko garraiobideak (pribatuak naiz merkataritzako izan) edota sare elektrikoarekin elkarlanean aritzen diren eskala handiko biltegiratze sistemak. Lan honen ikerketa lerroa tamaina ertain naiz handiko biltegiratze sistemetara mugatzen da, horien diseinu, kontrol eta segurtasun neurriak bateria unitate bakar batetik edo gutxi batzutatik haratago eramanaz. Era horretako sistemen diseinu prozesuan, aukera zabalduena, hainbat bateria unitatez osaturiko modulu independienteen muntaitik abiatzen da, ostean, horien arteko serie eta paralelo konexio aukeren bitartez aplikazioak zehazturiko ezaugarrietara egokituz. Hala baina, ekidin ezin diren bateria unitateen edota moduluen arteko funtzionamendu desorekatuek, baita baterien bigarren bizitza bultzatzen duten aplikazioek, lehen mailako behar bilakatu dute egitura modular aurreratuagoen garapena. Erronka horri erantzuna emateko, tesi honen heleburua, moduluen arteko potentzia banaketa baterien eredu elektro-termikoaren eta degradazioaren arabera egingo duen iragarpen bidezko kontrol estrategia baten garapena da. Era honetan, bai bateriaren errendimendua, baita bateriaren bizitza luzatzea ahalbidetzea lortu nahi da. Ikerketa amaitzeko, alde batetik, proposaturiko kontrol estrategia emaitza kuantitatiboak hobetzeko erabili daitekeela ondorioztatu da, modulu bakoitzaren funtzionamendu potentzia, dagozkion Ah kopuruaren arabera proportzionalki banatzen duen kontrolarekin alderatuz. Bestalde, funtzionamendu dinamiken analisiaren bitartez, baldintza desberdinetan dauden baterien egoera aldagaien (tenperatura edo karga-egoera, esaterako) orekatzeak ez duela zertan irtenbide egokiena izan erakutsi da. Beraz, proposaturiko kontrol-estrategiak hasierako hipotesia babesten du eta helburu nagusia betetzen dela erakusten du; Durante los últimos años la industria de los sistemas de baterías ha mostrado un crecimiento continuo, en gran medida, como consecuencia de una acuciante transición energética que reclama modelos sostenibles y alternativos al convencional. A pesar de presentar áreas de mejora, las baterías de Li-ion han emergido como líderes en el desarrollo de estos sistemas de almacenamiento, superando a numerosas soluciones competitivas. En el desarrollo de estos sistemas, se evidencian múltiples escalas de aplicación, cada una con distintas características, lo cual complica su integración. Desde la pequeña escala, con dispositivos electrónicos portátiles, hasta la gran escala, con sistemas de almacenamiento que cumplen funciones a nivel de red eléctrica, pasando por la media escala, con medios de transporte particulares o comerciales. Esta investigación se centra en los sistemas de almacenamiento de medio y gran tamaño, los cuales se caracterizan por un diseño, control y seguridad que trascienden de una única o pocas celdas. Este tipo de sistemas ensambla módulos independientes y realiza conexiones en serie y/o paralelo, hasta escalar a las dimensiones requeridas por la aplicación. A pesar de un aumento en la adopción de estos sistemas, resulta oportuno evidenciar que tanto las asimetrías entre las distintas celdas y módulos, como el creciente interés de algunas aplicaciones en las baterías de segunda vida, demanda maximizar el potencial de las configuraciones modulares. Ante esta realidad, esta tesis busca formular un control predictivo, basado en el modelo electro-térmico y de degradación de la batería, para determinar la distribución de potencia entre los distintos módulos, con el fin de optimizar el rendimiento y la vida útil de la batería. Los resultados muestran, por un lado, la viabilidad de emplear esta estrategia de control para obtener resultados cuantitativos mejores que los logrados con un control que distribuye la demanda de potencia, en base a la capacidad nominal de cada módulo. Por otro lado, las dinámicas de funcionamiento obtenidas muestran que disminuir las divergencias entre las variables de estados de los distintos módulos, como pueden ser la temperatura o el estado de carga, no tienen porqué ser siempre la solución óptima. Por lo tanto, la estrategia de control formulada apoya la hipótesis inicial y muestra el cumplimiento del objetivo principal. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/20.500.11984/14620 2024-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/20.500.11984/14619 Mitigating Lithium-Ion Battery Aging: Physics-Based State Estimation, Aging Prediction, and Degradation-aware Control Strategies Lopetegi Tapia, Iker Lithium-ion batteries are the most widely adopted energy storage system (ESS) nowadays. Due to their high gravimetric and volumetric energy density, and their low self-discharge rate, they are the best option for many applications, such as consumer electronics or electric vehicles (EVs). Yet, this technology still needs improvements to meet the demands of the energy transition. The relatively fast degradation that these batteries suffer is one of the main concerns with this ESS, and alongside the safety issues associated to it, the need for optimized and safe management is urgent. This thesis aims to improve the management of lithium-ion batteries using advanced control algorithms based on physical knowledge to mitigate battery aging. For that, simplified and reduced-order physics-based models (PBMs) are employed, such as the P2D and SPMe models, which are believed to give relevant insight about the physicochemical phenomena happening inside batteries. Lithium-ion battery aging is analyzed, and PBMs are used to develop a reliable degradation model that could be used to develop advanced degradation-aware control algorithms. For that, a new parameterization approach is proposed and tested experimentally, which could be used to significantly reduce the number of experiments to obtain an accurate aging model. To estimate the physical states of the battery through battery lifetime, new state-of-charge (SOC) and state-of-health (SOH) estimation algorithms are developed, improving current battery diagnosis algorithms by providing accurate estimates of electrode-level degradation and internal variables. Lastly, combining the knowledge provided by the state and parameter estimator, and the predictions of the degradation model, a new fast charging control strategy is proposed based on a nonlinear model predictive control (NMPC) algorithm, resulting in faster charging and reduced aging. The developed aging modeling approach, state and parameter estimation, and control strategy, demonstrate that PBMs can improve current empirical approaches, and help in the advance of new optimized battery algorithms; for battery aging prediction purposes, for battery health diagnosis, and for improved degradation-aware control strategies that mitigate aging.; Gaur egun, litio-ioizko bateriak dira energia biltegiratzeko sistemarik erabiliena. Beren energia dentsitate grabimetriko eta bolumetriko altua, eta auto-deskarga tasa baxua tarteko, aplikazio askotarako aukerarik onena dira, hala nola kontsumo elektronikarako edota ibilgailu elektrikoetarako. Hala ere, trantsizio energetikoaren aldarriarekin bat egiteko teknologia honek badu zer hobetu. Bateria hauek jasaten duten degradazioa da egungo kezka nagusienetako bat. Horregatik, premiazkoa da beraien erabilera seguruago eta optimizatuago bat bilatzea. Tesi honek litio-ioizko baterien kudeaketa hobetzea du helburu, baterien zahartzea arintzea ahalbideratzen duten ezagutza fisikoan oinarritutako kontrol algoritmoak erabiliz. Horretarako, ordena murriztuko eta sinplifikatutako bateria modelo fisikoak (PBM) erabili dira, hots, P2D eta SPMe izenez ezagutzen direnak. Hauek, baterien barruan gertatzen diren fenomeno fisiko-kimikoei buruzko informazio garrantzitsua ematen dute. Litio-ioizko baterien degradazioa aztertzeko, bateria eredu fisikoetan oinarritzen den degradazio modelo fidagarri bat doitu da, aurrerago kontrol algoritmo aurreratuen garapena ahalbideratu dezakeena. Horretarako, esperimentu kopurua nabarmen murriztu dezakeen parametrizazio prozesu berri bat proposatu eta bere zehaztasuna esperimentalki egiaztatu da. Horrez gain, bateriaren bizitzan zehar bere uneoroko egoeraren berri ematen duten aldagai fisikoak estimatzeko, karga (SOC) eta degradazio-egoeren (SOH) estimazio algoritmo berritzaileak garatu dira, egungo bateriaren diagnostiko algoritmoak hobetuz, eta elektrodo-mailako degradazioaren eta barne aldagai fisikoen estimazio zehatzak emanez. Azkenik, aldagai fisikoen estimatzaileak emandako ezagutza eta degradazio-modeloaren iragarpenak konbinatuz, karga azkarreko kontrol-estrategia berri bat proposatu da, “nonlinear model predictive control” (NMPC) algoritmoan oinarritzen dena. Modu honetan, karga denbora eta degradazioa, biak murriztea lortu da. Tesi honetan proposatu eta garatu diren degradazio modeloak, bateriaren egoera eta parametro fisikoen estimazio prozesuak, eta karga-azkarrerako kontrol algoritmoak frogatzen dute PBMek, gaur egun erabiltzen diren modelo enpirikoen aldean, baterien erabilera seguruago eta optimoago baten bidean aurreratzen jarraitzea ahalbideratzen dutela; degradazio predikzio eta diagnosiarekin, eta baita degradazioa murrrizteko kontrol estrategiak hobetuz.; Las baterías de iones de litio son el sistema de almacenamiento de energía más adoptado en la actualidad. Debido a su alta densidad de energía, y su baja tasa de autodescarga, son la mejor opción para muchas aplicaciones, como la electrónica de consumo o los vehículos eléctricos. Sin embargo, esta tecnología aún necesita mejoras para satisfacer las demandas de la transición energética. La degradación relativamente rápida que sufren estas baterías es una de las principales preocupaciones y, junto con los problemas de seguridad asociados, es urgente la necesidad de una gestión optimizada y segura. Esta tesis tiene como objetivo mejorar la gestión de baterías de litio utilizando algoritmos de control avanzados basados en el conocimiento físico para mitigar el envejecimiento de las baterías. Para ello, se emplean modelos basados en la física (PBM) simplificados y de orden reducido, concretamente los modelos P2D y SPMe, que brindan información relevante sobre los fenómenos fisicoquímicos que ocurren dentro de la batería. Se analiza el envejecimiento de las baterías de litio y se utilizan PBM para desarrollar un modelo de degradación preciso que podría usarse para desarrollar algoritmos avanzados de control. Para ello, se propone y valida experimentalmente un nuevo preoceso de parametrización, mediante el cual se podría reducir significativamente el número de experimentos y obtener un modelo de envejecimiento preciso. Además, para estimar los estados físicos de la batería a lo largo de su vida útil, se desarrollan nuevos algoritmos de estimación del estado de carga (SOC) y del estado de salud (SOH), que mejoran los algoritmos actuales de diagnóstico al proporcionar estimaciones precisas de la degradación a nivel de los electrodos y variables internas. Por último, combinando el conocimiento proporcionado por el estimador de estado y parámetros, y las predicciones del modelo de degradación, se propone una nueva estrategia de control de carga rápida basada en un algoritmo de control predictivo de modelo no lineal (NMPC), que da como resultado una carga más rápida y un menor envejecimiento. El modelo de envejecimiento desarrollado en esta tesis, la estimación de estados y parámetros de la batería, y la estrategia de control propuesta demuestran que los PBM pueden mejorar los modelos empíricos actuales y ayudar en optimizar la gestión de las baterías; mediante la predicción del envejecimiento, diagnóstico del estado y estrategias de control optimizadas que mitiguen de la degradación. Mon, 01 Apr 2024 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/20.500.11984/14619 2024-04-01T00:00:00Z