Caracterización de baterías de litio para el estudio del envejecimiento

Olmo Esteban, Guillermo (2019). Caracterización de baterías de litio para el estudio del envejecimiento. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Caracterización de baterías de litio para el estudio del envejecimiento
Author/s:
  • Olmo Esteban, Guillermo
Contributor/s:
  • Rodríguez Arribas, Jaime
  • Nájera Álvarez, Jorge
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: November 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Este trabajo se encuentra centrado principalmente en la identificación de los distintos agentes que propician el envejecimiento de las baterías de ion-litio. Para ello, se ha realizado un estudio acerca de la influencia que factores como la temperatura, o las condiciones de carga / descarga tienen en la degradación de las baterías. Con todo este conocimiento se pretende establecer un protocolo de ensayos que permitan caracterizar el funcionamiento interno y el envejecimiento de una batería, para posteriormente aplicar esto a un modelo de simulaciones con el cual se pueda estudiar la respuesta de dicha batería bajo diferentes condiciones sin necesidad de degradarla completamente. En concreto, para este trabajo se ha trabajado con una batería de ion-litio de la química LiNixCoyMnzO2. Esta batería está formada por 14 celdas conectadas en serie de la compañía KOKAM® y se encuentra en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Esta batería está conectada a una bancada de ensayos cuyo control se realiza por medio del software ControlDesk del fabricante dSPACE®. Este software, además de las labores de control, ejerce como plataforma de registro de las distintas variables que se pretenden medir durante los ensayos (Temperatura, corriente de carga / descarga, capacidad extraída de la batería…). Para ser capaces de caracterizar el envejecimiento de la batería, esta ha sido sometida a una serie de ensayos de ciclado. Estos ensayos consistían en procesos de carga y descarga consecutivos a distintas temperaturas y tasas de descarga, cuyo objetivo era simplemente el degradar la batería para ser capaces de establecer la dependencia de las distintas variables con el envejecimiento. Así, a lo largo de 8 meses, se realizaron sobre la batería un total de 438 ciclos de carga y descarga con los que se consiguió un envejecimiento aproximado del 4%. Periódicamente a lo largo de todo este proceso de ciclado, se realizaban ensayos de capacidad que permitían registrar y mapear la evolución de dicho envejecimiento. Con los datos experimentales obtenidos, se procede a establecer una serie de ecuaciones y parámetros que modelan el envejecimiento de la batería en función de sus distintas variables (Temperatura, estado de carga…). Este modelo de envejecimiento se traslada a un modelo en Matlab Simulink, trabajado anteriormente en otros proyectos pertenecientes a esta línea de investigación, y llevados a cabo por Aitor Conde y Pablo Moreno-Torres. Además de esto, se ha reestructurado y mejorado el mencionado modelo de Matlab, añadiendo nuevas ecuaciones que permitan una mejor representación del funcionamiento interno de la batería. Para ello, se ha profundizado en el modelo térmico de la batería. Este modelo desarrolla los distintos parámetros que definen el funcionamiento interno de la batería además de la dependencia de cada uno de estos parámetros con la temperatura. Con el fin de completar dicho modelo, se han realizado adicionalmente otra serie de ensayos que buscan definir, para la batería estudiada, todos los parámetros que caracterizan su funcionamiento interno. Estos ensayos consisten en dos procesos, uno de carga y otro de descarga, los cuales se mantienen hasta que la batería aumenta su temperatura 10ºC con respecto a la temperatura inicial, para después mantenerla en reposo hasta que su temperatura se estabilice. A partir de las curvas de temperatura – tiempo que se obtienen de dichos ensayos, se obtienen parte de los parámetros necesarios para definir el funcionamiento interno de la batería. El resto de parámetros se obtienen a partir de las curvas de descarga presentes en el datasheet del fabricante. De estas curvas se pueden extraer una serie de datos, los cuales se han introducido en un script de Matlab que elabora y resuelve un sistema de ecuaciones no lineales cuyas incógnitas son los parámetros buscados. Una vez obtenidos todos estos parámetros, se ha procedido a modificar, como ya se ha mencionado, el modelo de Matlab Simulink, para adaptarlo a las nuevas ecuaciones y parámetros que se han hallado. Con todo el modelo completo y ajustado para la batería ensayada, se procede a comprobar el correcto funcionamiento del mismo mediante la comparación de los resultados de la simulación con los resultados obtenidos experimentalmente y los aportados por el fabricante. Una vez comprobado el correcto funcionamiento del proceso seguido y el modelo obtenido, se pretende que este proyecto pueda ser utilizado como una guía de ensayos al que acudir en el caso de que, en el futuro, sea necesario estudiar distintas baterías.

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Item ID: 57278
DC Identifier: http://oa.upm.es/57278/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57278
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 14 Nov 2019 06:28
Last Modified: 13 Jan 2020 23:30
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