Modelamiento matemático de una bateria de litio industrial, para estimar su comportamiento eléctrico dentro de una microrred fotovoltaica, mediante el análisis de su funcionamiento bajo condiciones reales de operación

Abstract

En el presente trabajo de investigación se proponen dos modelos matemáticos capaces de simular de una manera adecuada y con un sentido físico correcto, la respuesta dina´ mica y térmica de una batería de litio industrial cuando esta se encuentra integrada en una microrred fotovoltaica. Debido a la integración de la batería de litio en la microrred fotovoltaica, el comportamiento eléctrico que se observa de la misma no se debe solamente a la batería como elemento electroquímico, sino que también representa el sistema de potencia que lo conecta con la microrred, el control y la instrumentación. Los modelos desarrollados parten de un modelo conocido, el cual es modificado para integrar en este, los efectos que generan los componentes de la microrred sobre el comportamiento eléctrico de la batería, teniendo una mayor influencia el efecto del inversor/cargador. En ese sentido, el desarrollo de estos nuevos modelos conlleva a desarrollar un me´ todo propio de parametrización para cada uno de ellos, para lo cual se identifican una serie de ensayos a realizarse, así como el correspondiente tratamiento de datos, con la finalidad de estimar los parámetros requeridos. Asimismo, se propone un modelo de envejecimiento para estimar la degradación de la batería partiendo de la información disponible en las fichas técnicas proporcionadas por los fabricantes. Los modelos desarrollados para representar el comportamiento dina´ mico-térmico de la batería de litio, son modelos sencillos, basados en un modelo de circuito equivalente, lo que implica varias ventajas con respecto a otros modelos de la literatura, donde se puede destacar una parametrización más directa (menor número de para´ metros y más fáciles de obtener que en otro tipo de modelos), un menor tiempo de computación debido a las expresiones matemáticas que modelan los diferentes comportamientos de la batería, mayor facilidad y aplicabilidad del modelo, y todo ello manteniendo un error muy razonable. Por otro lado, el modelo pro- puesto para la estimación del envejecimiento de la batería de litio se basa en la cantidad de carga eléctrica y el número de ciclos que es capaz de entregar dicha batería a una determinada corriente y temperatura ambiente de trabajo, lo cual es información que generalmente se encuentra disponible en las fichas técnicas de los fabricantes. Así, con dicha información, se pueden estimar el envejecimiento estacionario y el envejecimiento por ciclado, que ocurren bajo unas determinadas condiciones de trabajo. Este trabajo inicia con el estudio del comportamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico y de una batería de litio, así como de los factores que afectan el desempeño de cada uno de ellos. El estudio de un sistema de almacenamiento completo basado en baterías de litio ha servido para determinar una serie de ensayos de laboratorio que permiten parametrizar el modelo de la batería. Por otro lado, el estudio del comportamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico ha servido para implementar un emulador de módulos fotovoltaicos y que de esta manera se pueda controlar el perfil de producción fotovoltaica, lo cual generara´ una respuesta en potencia por parte de la batería, ya que en una microrred el generador fotovoltaico (emulador para este caso) y el banco de baterías, trabajan en conjunto para poder satisfacer la demanda de energía requerida por dicha microrred. Para este trabajo se ha puesto en marcha, programado y utilizado una microrred foto- voltaica con capacidad de conectarse a la red eléctrica en algún momento, con la finalidad de someter a la batería de litio a un entorno de trabajo muy próximo a la realidad. El proceso de carga de la batería de litio se realiza mediante la energía entregada por los módulos fotovoltaicos y si esta fuese insuficiente, recibe energía proveniente de la red eléctrica. Asimismo, para validar el modelo dina´ mico-térmico desarrollado en el presente trabajo de investigación, se ha establecido la presencia de una carga de consumo ficticia, que consiste en la implementación de un perfil de consumo basado en datos recopilados de publicaciones previas donde se han medido consumos domésticos, lo cual permite realizar un proceso programado de inyección de energía a la red eléctrica, donde la prioridad es el uso de la energía proveniente de los módulos fotovoltaicos, y de ser necesario, se emplea la energía almacenada en la batería de litio para poder satisfacer la demanda de energía. En otras palabras, la microrred fotovoltaica trabaja como si entregase energía a una carga de consumo, pero como esta no existe (ficticia), lo que en realidad hace es inyectar energía a la red eléctrica de una manera controlada y programada siguiendo lo indicado por un perfil de consumo establecido y debido a que la cantidad de energía que entrega la microrred es muy inferior al consumo real de la red a la cual se conecta, se asegura que siempre se pueda inyectar energía a la misma.

In the present research work, two mathematical models are proposed capable of simulating in an adequate way and with a correct physical sense, the dynamic and thermal behavior of an industrial lithium battery when it is part of a photovoltaic microgrid. Due to the integration of the lithium battery in the photovoltaic microgrid, the electrical behavior observed is not only due to the battery as an electrochemical element, but also represents the power system that connects it to the microgrid, the control and instrumentation. The developed models are based on a known model, which is modified to integrate into it the effects generated by the components of the microgrid on the electrical behavior of the battery, with the effect of the inverter/charger having a greater influence. In this sense, the development of these new models entails developing its own parameterization method for each of them, for which a series of tests to be carried out are identified, as well as the corresponding data processing, with the purpose of estimating the required parameters. Likewise, an aging model is proposed to estimate battery degradation based on the information available in the datasheets provided by the manufacturers. The models developed to represent the dynamic-thermal behavior of the lithium battery are simple models, based on an equivalent circuit model, which implies several advantages over other models in the literature, where a more direct parameterization can be highlighted. (Fewer number of parameters and easier to obtain than in other types of models), less computing time due to the mathematical expressions that model the different behaviors of the battery, greater ease and applicability of the models, and all this while maintaining an error level very reasonable. On the other hand, the model proposed for estimating the aging of the lithium battery is based on the amount of electrical charge and the number of cycles that the battery is capable of delivering at a certain current and ambient temperature, which is information that is generally available in the datasheets of the manufacturers. Thus, with this information, stationary aging and cycling aging, which occur under certain working conditions, can be estimated. This work begins with the study of the electrical behavior of a photovoltaic module and a lithium battery, as well as the factors that affect the performance of each of them. The study of a complete storage system based on lithium batteries has served to determine a series of laboratory tests that allow the battery model to be parameterized. On the other hand, the study of the electrical behavior of a photovoltaic module has served to implement a photovoltaic module emulator and in this way the photovoltaic production profile can be controlled, which will generate a power response from the battery, since that in a microgrid the photovoltaic generator (emulator in this case) and the battery bank work together to satisfy the energy demand required by the microgrid. For this work, a photovoltaic microgrid with the capacity to connect to the electrical grid has been launched, programmed, and used, with the aim of subjecting the lithium battery to a work environment very close to reality. The charging process of the lithium battery is carried out using the energy delivered by the photovoltaic modules and if this is insufficient, it receives energy from the electrical grid. Likewise, to validate the dynamic-thermal model developed in this research work, the presence of a fictitious consumption load has been established, which consists of the implementation of a consumption profile based on data collected from previous publications where domestic consumption been measured, which allows a scheduled process of energy injection into the electrical grid, where the priority is the use of the energy from the photovoltaic modules, and if necessary, the energy stored in the lithium battery is used to be able to satisfy the energy demand. In other words, the photovoltaic microgrid works as if it were delivering energy to a consumption load, but since this does not exist (fictitious), what it actually does is inject energy into the electrical grid in a controlled and programmed manner following what is indicated by a established consumption profile and because the amount of energy delivered by the microgrid is much lower than the real consumption of the network to which it is connected, it is ensured that energy can always be injected into it.