Module-Level Modelling Approach for Li-Ion Batteries: a Cloud-based Digital Twin Simulation Platform

• DIRECTORES: Dr. Eduardo Miguel Garcia de Cortazar y Dr. Unai Iraola Iriondo
• UNIVERSIDAD: Mondragon Unibertsitatea

RESUMEN

La adopción de Baterías de Litio-ion (LIBs) a gran escala ha experimentado un crecimiento constante y continuo. Estas instalaciones implican la interconexión de múltiples baterías para formar sistemas más grandes y potentes, capaces de proporcionar megavatios-hora (MWh) de energía almacenada. Las LIBs han surgido como una solución prometedora para el almacenamiento de energía eléctrica debido a su disminución de precios y mejora en la eficiencia de fabricación. Esta combinación ha hecho que las LIBs sean más accesibles y su demanda haya aumentado rápidamente en aplicaciones clave, como vehículos eléctricos y aplicaciones estacionarias. En el contexto de las LIBs, y específicamente en el caso de los módulos, las heterogeneidades y desequilibrios individuales entre las diferentes celdas que conforman el módulo representan un desafío tecnológico significativo. De hecho, estas disparidades pueden comprometer la eficiencia energética y la vida útil del módulo de la batería en su conjunto. Aunque se han realizado numerosos estudios en el ámbito de las celdas individuales, existe una brecha significativa en la comprensión y la consideración adecuada de los efectos y la complejidad a nivel de módulo. En esta tesis, se propone una metodología innovadora para desarrollar modelos de batería a nivel de módulo que incluyen componentes térmicos, eléctricos y un estimador de SoC. Estos modelos a nivel de módulo se basan en circuitos equivalentes extrapolados de modelos ampliamente utilizados a nivel de celda. Se propone un modelo térmico que detalla todas las celda y su interacción en un sistema de baterías, así como un modelo eléctrico que ejecuta individualmente cada celda mediante co-simulación o ejecución simultánea en procesos paralelos. Además, se presenta un enfoque para implementar estos modelos en una plataforma de simulación basada en la nube, lo que permite obtener estimaciones de cada celda del módulo, identificar problemas potenciales y proporcionar un entorno con suficiente capacidad computacional. La metodología propuesta se ha validado a nivel de laboratorio utilizando un prototipo específicamente diseñado para este propósito. Se ha demostrado el correcto funcionamiento del modelo térmico, eléctrico y del estimador de SoC. Esto permite una monitorización adecuada del sistema y contribuye a un mejor entendimiento y monitorización de las LIBs a gran escala.