Study and Analysis of the Behavior of LFP and NMC Electric Vehicle Batteries concerning their Ageing and their Integration into the Power Grid

Nájera Álvarez, Jorge (2020). Study and Analysis of the Behavior of LFP and NMC Electric Vehicle Batteries concerning their Ageing and their Integration into the Power Grid. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.66547.

Description

Title: Study and Analysis of the Behavior of LFP and NMC Electric Vehicle Batteries concerning their Ageing and their Integration into the Power Grid
Author/s:
  • Nájera Álvarez, Jorge
Contributor/s:
  • Rodríguez Arribas, Jaime
  • Castro Fernández, Rosa María de
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: December 2020
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

En esta tesis se analiza el envejecimiento de baterías de ion-litio desde dos puntos de vista: los sistemas híbridos de almacenamiento de energía y el desarrollo de modelos de envejecimiento. Por otra parte, se analiza la influencia de los controles de carga inteligentes de vehículos eléctricos en la red eléctrica. En el ámbito de los sistemas híbridos de almacenamiento de energía, esta tesis estudia la hibridación de baterías de ion-litio con supercondensadores. A este respecto, se estudia y se propone una metodología de dimensionado para este tipo de sistemas, de forma que se optimice la vida útil de las baterías y la eficiencia energética del sistema. También se presenta un ejemplo de aplicación para un autobús eléctrico. Dentro del desarrollo de modelos de envejecimiento para baterías de ion-litio, se desarrolla un modelo válido para las dos químicas más relevantes, LFP y NMC. Este modelo, que incluye tanto el envejecimiento de ciclado como el envejecimiento por el paso del tiempo, se valida teóricamente para ambas químicas, y se realiza una validación experimental parcial mediante ensayos de laboratorio. Para estudiar la influencia de los controles de carga inteligentes de vehículos eléctricos en la red se han seleccionado controles que corrigen desequilibrios y niveles de tensión. Mediante modelos y simulaciones se ha estudiado la influencia de los controles en una red estándar de BT. También se ha desarrollado un estudio estocástico con métodos de Montecarlo para generalizar las conclusiones a diferentes tipos de redes de BT. Las principales contribuciones de esta tesis se enumeran a continuación: desarrollo de un modelo de pérdida de capacidad on-line junto con una metodología de dimensionado para un sistema híbrido de baterías y supercondensadores; desarrollo y validación de un modelo de pérdida de capacidad válido para las químicas LFP y NMC dentro del ion-litio, incluyendo una metodología de parametrización de los modelos desarrollados; análisis de la influencia de controles de carga inteligente en los parámetros de red, y desarrollo de una estudio estocástico para generalizar las conclusiones. ----------ABSTRACT---------- In this thesis the Li-ion battery ageing is analyzed from two different perspectives: hybrid energy storage systems, and the development of capacity fade models. Moreover, the influence of electric vehicle smart charging controls in the power grid is assessed. Regarding hybrid energy storage systems, this thesis analyzes the hybridization of Li-ion batteries with supercapacitors. In this regard, a dimensioning methodology is proposed for those systems, so the Li-ion batteries lifespan and the energy efficiency of the whole hybrid system are optimized. Besides, an application example for implementing the developed methodology is provided. According to the capacity fade models for Li-ion batteries, a model valid for both LFP and NMC, the two most relevant chemistries among the Li-ion family, is developed. This model, which includes both calendar and cycling ageing, is theoretically validated for both chemistries, and a partial experimental validation is performed with laboratory tests. In order to study the influence of smart charging controls for electric vehicles in the power grid, a set of controls that mitigate unbalance and correct voltage levels is selected. By using models and computer simulations, the influence of those controls on a LV power grid is analyzed. Moreover, a stochastic analysis based on Montecarlo simulations is performed, so conclusions can be generalized for other LV grid typologies. The main contributions of this thesis are listed as follows: development of an online capacity fade model for Li-ion batteries, including a dimensioning methodology for a hybrid energy storage system with batteries and supercapacitors; development and validation of a capacity fade model valid for both LFP and NMC chemistries, including a parametrization methodology for the model; analysis of the influence of smart charging controls for electric vehicles in the grid parameters, and development of a stochastic analysis so conclusions can be generalized.

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Item ID: 66547
DC Identifier: https://oa.upm.es/66547/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66547
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66547
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 05 Apr 2021 05:53
Last Modified: 05 Apr 2021 05:53
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