Modelado de degradación de baterías con aplicaciones para coche eléctrico y almacenamiento distribuido

Abstract

La creciente demanda mundial de combustibles fósiles y la necesidad imperiosa de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, ha fomentado la investigación y el desarrollo de soluciones para la sostenibilidad del planeta. El sector del transporte depende de esos combustibles fósiles y además contribuye considerablemente a esa emisión de gases de efecto invernadero, por tanto se están centrando muchas investigaciones en encontrar alternativas [1]. El desarrollo de vehículos híbridos y eléctricos es una solución que ayuda a reducir no sólo los gases de efecto invernadero, sino también la dependencia de los combustibles convencionales [1]. Estos vehículos necesitan almacenar la energía eléctrica, para suministrarla posteriormente al motor eléctrico que la transformará en energía mecánica para mover el vehículo. Ese dispositivo de almacenamiento de energía es la batería, la cual está definida como un dispositivo electromecánico que permite acumular energía química, para convertirla en energía eléctrica en forma de corriente continua [2]. La batería es uno de los elementos claves a la hora de diseñar un vehículo eléctrico, ya que es el elemento que le aporta la autonomía. Por lo que es necesario resaltar la importancia de una buena elección y un buen mantenimiento de la batería, pues normalmente su coste es muy alto. Existen diversas características de las baterías para determinar y elegir cuál es la más conveniente para un vehículo eléctrico determinado. Por ejemplo, la densidad energética, amplio rango de temperatura de operación y alto número de ciclos de carga y descarga [3]. Actualmente, las baterías que más se acercan a los objetivos mínimos de los vehículos eléctricos, son las baterías de Litio-ion (Li-ion) [4]. Por ello, el estudio que se lleva a cabo es sobre una batería de este tipo, las baterías Litio-ion Polímero, la cual es una batería Li-ion con la cubierta de polímero y son adecuadas para el uso en vehículos eléctricos por su alta densidad energética, baja tasa de auto descarga y larga vida útil. [5] Por otro lado, el mantenimiento de la batería también es muy importante, ya que de ello dependerá la degradación que sufra la batería y por tanto la necesidad de reemplazarla, lo que supone un coste muy alto. Por ello, este estudio trata de minimizar esa degradación, pero enfocado a una conexión de un vehículo que aporte servicios de regulación de frecuencia, es decir, que pone la energía de la batería a disposición de la red eléctrica. Este planteamiento se debe a que, en un futuro no muy lejano, se espera que la red eléctrica se vaya descentralizando progresivamente hasta conseguir una red distribuida. Esto quiere decir, que la energía eléctrica que se genera no sólo provenga de las centrales principales, como pueden ser las de carbón o las nucleares, sino que también provenga de placas solares u otro tipo de generación de domicilios particulares. En este punto entra la conexión Vehicle-to-Grid, que permite participar en la red a la energía de los vehículos eléctricos conectados. Este tipo de conexión permite vender y poner a disposición de la red la energía de las baterías. En la actualidad, se están llevando a cabo diversas investigaciones para conseguir mejorar la vida útil de las baterías incorporadas a este tipo de vehículos. Normalmente, estos estudios se han hecho desde la perspectiva de que la conexión a la red a la hora de cargar las baterías sea lo más eficiente posible, pero pocas veces teniendo en cuenta la degradación de la batería. Por ello se lleva a cabo este estudio; que consiste en el diseño de un modelo del que se obtenga la velocidad de degradación de la batería, en función de la temperatura y del estado de carga o SOC, cuando se conecta para poner a disposición de la red la energía de la batería. A continuación, este modelo es linealizado y se aplica en un problema de optimización que gestiona la carga y descarga en un vehículo eléctrico, minimizando la degradación sufrida por la batería cuando aporta servicios de Vehicle-to-Grid.

The global growth of fossil fuels and the big necessity of reducing the emissions of greenhouse gases, has encouraged research and development of solutions for the sustainability of the planet. The transport sector strongly depends on these fossil fuels and contributes significantly to the emission of greenhouse gases, therefore a lot of researches are trying to find alternatives [1]. The development of hybrid and electric vehicles is a solution that not only helps to reduce greenhouse gases, but also the dependence on conventional fuels [1]. These vehicles need to store electricity for later supply it to the electric motor that will transform the electricity into mechanical energy to move the vehicle. This energy storage device is the battery, which is defined as an electrochemical device that allows accumulating chemical energy in order to transform it into electrical energy in DC form [2]. The battery is one of the key elements when designing an electric vehicle, since it is the element that gives autonomy to it. So it is necessary to highlight the importance of a good choice and a proper battery maintenance, usually because its cost is very high. There are several features of batteries to determine and choose which is most suitable for a given electric vehicle. For example, energy density, wide operating temperature range and high number of cycles of charging and discharging [3]. Nowadays, batteries that are closer to the minimum targets for electric vehicles, are the lithium-ion (Li-ion) [4]. Therefore, the study that is carried out is about a battery of this type, the lithium-ion polymer batteries, which are a Li-ion battery with polymer coating and are suitable for use in electric vehicles due to its high energy density, low self-discharge rate and long life. [5] Moreover, the battery maintenance is also very important because it will determine the degradation suffered by the battery, thus the need to replace it, which represents a very high cost. Therefore, this study tries to minimize such degradation, but focused on a connection of a vehicle to provide frequency regulation services, it means, putting the battery power available to the power grid. This approach is because it is expected that, in the not too distant future, the power grid will progressively decentralized until it becomes a distributed network. This means that the electrical energy generated not only come from the main power stations, such as the coal or nuclear, but also comes from solar panels or other generation from private homes. At this point, the concept of Vehicle-to-Grid appears, it is a strategy of connection that allows the electric vehicle to participate in the power of the grid. This type of connection can sell and make available to the network the battery energy. Currently, various researches have been carried out in order to improve the life of batteries incorporated in this type of vehicle batteries. Typically, these studies have been done from the perspective of the network connection when charging batteries as efficient as possible, but rarely taking into account the degradation of the battery. Therefore it is carried out this study; consisting of designing a model that measures the rate of degradation of the battery depending on the temperature and state of charge or SOC when connected to make available the battery power to the grid. Then, this model is linearized and applied to an optimization problem that manages the charging and discharging strategies in an electric vehicle, minimizing the degradation suffered by the battery when it provides Vehicle-to-Grid services.