Intelligent charging-discharging method to improve the performance of second-life battery packs
Fecha
2021
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Battery Energy Storage System (BESS) of Electric Vehicles (EVs) are composed of thousands of cells connected in a fixed series-parallel topology. Those large-scale battery systems are mainly composed of Lithium-Ion (Li-Ion) cells whose main material is lithium and its cost is considerable. In January of 2021, the price of lithium increased more than 40% due to the high demand for this product. Therefore, Li-Ion batteries elevated cost is considered one of the main barriers to the mass adoption of electric vehicles in the market. To tackle this issue, the second-life use of EVs batteries is one of the solutions explored by the industry and academia to reduce EVs upfront costs. That is, reusing the batteries that do not meet anymore the requirements of EVs applications, but which could still be used on stationary applications. In the particular case of second-life batteries, due to aging and manufacturing differences, every cell of the system presents a different behavior over its usage causing an issue denominated “battery imbalance issue” which could end in a thermal runaway and other thermodynamic issues. Moreover, this imbalance, during the charging process, prevents that all the available capacity to store energy, may be reached. Likewise, in the process of discharge, the stored energy is not fully exploited. Hence, several studies have been carried to tackle this issue. However, in most cases, the energy must be transferred to additional passive components, resulting in poor efficiency. In contrast, the reconfigurability of battery packs has been explored to improve the system performance in terms of operating time and fault detection. So that, the purpose of this research is to take advantage of the reconfigurable battery systems flexibility to use the unused storage capacity caused by imbalance, through a Intelligent Charging-Discharging Method (ICDM), and therefore improve the second-life batteries operating time. With this purpose in mind, a dynamic reconfigurable battery topology is explored to implement an ICDM for operating second-life battery packs. To achieve this objective, a simulation process is carried out to have insights of the behavior of the proposed method. Likewise, an experimental validation was developed to obtain evidence of the effect of the ICDM on the total energy drained from a battery pack. As a result of the experiment, an average of 43,23% more energy may be drained using the proposed ICDM
Descripción
Los Sistemas de Almacenamiento de Energía con Baterías (BESS, por su acrónimo en inglés) de los vehículos eléctricos se componen de miles de celdas conectadas en una topología fija en serie-paralelo. Estos sistemas de baterías a gran escala se componen principalmente de células de iones de litio, cuyo material principal, el litio, tiene un costo considerable. En enero de 2021, el precio del litio aumentó más de un 40% debido a la gran demanda de este producto. Por lo tanto, el elevado costo de las baterías de iones de litio se considera una de las principales barreras para la adopción masiva de los vehículos eléctricos en el mercado. Para hacer frente a este problema, el uso de segunda vida de las baterías de los vehículos eléctricos es una de las soluciones exploradas por la industria y el mundo académico para reducir los costos iniciales de los vehículos. Es decir, reutilizar las baterías que ya no cumplen los requisitos de las aplicaciones de los vehículos eléctricos, pero que pueden seguir utilizándose en aplicaciones estacionarias. En el caso particular de las baterías de segunda vida, debido al envejecimiento y a las diferencias de fabricación, cada celda del sistema presenta un comportamiento diferente a lo largo de su uso, lo que provoca un problema denominado “problema de desbalance de baterías” el cual podría acabar en una fuga térmica y otros problemas termodinámicos. Además, este desequilibrio impide que toda la energía disponible para almacenar sea utilizada en el proceso de carga. Del mismo modo, en el proceso de descarga, se impide el uso de toda la energía almacenada. De ahí que se hayan llevado a cabo varios estudios para abordar esta cuestión. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la energía debe ser transferida a componentes pasivos adicionales, lo que da lugar a una baja eficiencia. Por el contrario, se ha explorado la reconfigurabilidad de los paquetes de baterías para mejorar el rendimiento del sistema en términos de tiempo de funcionamiento y detección de fallos. Así pues, el propósito de la investigación presentada es aprovechar la flexibilidad de los sistemas de baterías reconfigurables para utilizar la capacidad de almacenamiento no utilizada debido al desequilibrio, mediante una estrategia de carga y descarga inteligente, y así mejorar el tiempo de operación de las baterías de segunda vida. Con este propósito, se explora una topología de batería reconfigurable dinámica para implementar un método de carga-descarga inteligente para operar paquetes de baterías de segunda vida. Para lograr este objetivo, se realiza un proceso de simulación para tener una visión del comportamiento del método propuesto. Así mismo, se diseñó un experimento para obtener pruebas objetivas del efecto del método de carga-descarga propuesto con respecto a la energía total drenada de un pack de baterías.
Palabras clave
Almacenamiento de energía, Batería de ion de litio, Sistemas de batería reconfigurables, Segunda vida, Estado de carga