Electrochemical model-based advanced battery control systems

Abstract

Nowadays energetic scenario is changing, improving the actual energy mix, and using cleaner and more sustainable energy generation and consumption methods. Renewable energies are key within this context for a more environmentally friendly energy generation. The intermittent nature of these energy sources boost the use of energy storage systems. A more efficient energy consumption is also a benefit of the energy storage system since the energy generation does not need to instantly feed the demand. Li-ion batteries are one of the most promising technology in the market, but the price per Wh and the aging of these devices are crucial for their integration. Different methods are considered to control or mitigate batteries aging, nonetheless advanced control system will enable further improvements and optimal battery utilization. This thesis is based on the hypothesis that aging of batteries can be controlled using physics based state of function control embedded systems, that will enable the concept of a dynamic safe operating area. Something that will open the door to more optimized and advanced battery management.

Gaur egun agertoki energetikoa aldatzen ari da, mix energetikoa hobetzen eta energia sortzeko zein kontsumitzeko metodo garbiagoak nahiz iraunkorragoak erabiltzen ari dira. Testuinguru horretan, energia berriztagarriak funtsezkoak dira ingurumenarekiko errespetu handiagoa izateko. Aipatu energia iturri berriztagarrien aldizkako izaerak energia biltegiratzeko sistemen erabilera bultzatzen duela. Gainera, energia-kontsumo eraginkorragoa bermatzen dute, energia sorgailuak ez duelako zertan eskaria berehala elikatu behar. Li-ion bateriak merkatuan teknologiarik itxaropentsuenetarikoak dira, baina Wh bakoitzaren prezioa eta gailu horien zaharkitzea funtsezkoak dira haien integraziorako. Baterien zaharkitzea kontrolatzeko edota arintzeko metodo desberdinak daude. Hala ere, kontrol sistema aurreratuak hobekuntza gehiago eskaini eta baterien erabilera hobea ahalbidetuko dute. Tesi honen hipotesi nagusia da fisikan oinarritutako modeloz osaturiko egoera kontrol sistema txertatuekin baterien zaharkitzea kontrola daitekeela, funtzionamendu eremu seguru dinamikoaren kontzeptua ahalbidetuz eta metaketa sistemen kudeaketa optimizatuagoei eta aurreratuagoei ateak irekiz.

Hoy en día, el escenario energético está cambiando, mejorando el mix energético y utilizando métodos de generación y consumo de energía más limpios y sostenibles. Las energías renovables son clave en este contexto para una generación de energía más respetuosa con el medio ambiente. La naturaleza intermitente de estas fuentes de energía impulsa el uso de sistemas de almacenamiento de energía. Siendo un consumo de energía más eficiente también un beneficio derivado del uso de sistemas de almacenamiento de energía, ya que la energía no ha de ser forzosamente generada en el mismo instante en que se demanda. Las baterías de iones de litio son una de las tecnologías más prometedoras del mercado, siendo el precio por Wh y el envejecimiento de estos dispositivos cruciales para su integración. Se pueden considerar diferentes métodos para controlar o mitigar el envejecimiento de las baterías, sin embargo, los sistema de control avanzado permitirán mejoras adicionales y la utilización óptima de las baterías. Esta tesis se basa en la hipótesis de que el envejecimiento de las baterías se puede controlar utilizando sistemas embarcados de control del estado basados en modelos electroquímicos, que permitirán validar el concepto de un área de operación dinámica segura. Algo que abrirá la puerta a una gestión de las baterías más optimizada y avanzada.