Battery energy storage systems: modelling, applications and design criteria

Nowadays, the specific costs of battery energy storage systems (BESSs) are decreasing exponentially and at the same time their installations are increasing exponentially. BESS are in fact becoming pivotal in the development of several heterogeneous industrial sectors like energy, automotive, electronics, telecom etc. However, BESS performances (energy density, power density, efficiency, lifetime) cannot be assumed expandable from one application to another and from one technology to another. Therefore, methods and models have to be developed to end up with a proper design criteria for the selected application. The General objective of the thesis is to contribute in expanding the knowledge about BESSs by focusing on appropriate methodologies capable of linking the technological studies with the economic analyses required in real life applications. The dissertation is centred on electrochemical batteries, considering power electronics well-established with respect to both industrial applications and mathematical modelling. Specific objectives of the thesis are: the development of a reference framework related to technologies, performances and modelling of BESS; the proposal of innovative BESS models representing dynamic and aging phenomena; the development of proper methodologies to analyse the techno-economic performances of BESS when deployed in stationary applications. The work is theoretical, numerical and experimental. A theoretical framework serves to identify and formulate the correct BESS models. The experimental activities are fundamental in developing and tuning the models. The numerical analyses, based on field data, are needed to test and validate the models on real applications. These themes are specifically developed for lithium-ion battery technology and stationary applications. The first part of the thesis offers the reference framework about BESS and is based on literature analyses together with experimental activities. Chapter 2 gives an overview on electrochemical storage options (expected performances, market share, costs) with special attention to Li-ion technology. Chapter 3 presents experimental measurements on three different Li-ion chemistries. Energy density, power density and efficiency are used to discuss BESS performances in real applications. Chapter 4 proposes a literature review on battery modelling which are categorized into four general different approaches: electrochemical, analytical (empirical), electrical and stochastic. Two main tasks are identified for battery models: the estimation of operating conditions (i.e. SoC estimation), the estimation of the lifetime (i.e. SoH estimation). The second part of the thesis offers the modelling framework about BESS. Chapter 5 provides the main theoretical pillars necessary for a proper electrical modelling process. Chapter 6 represents the main element of originality. A novel electrical model for Li-ion technology is developed that reproduce the dynamic response of battery cells as a nonlinear function of the Soc. The model is composed of impedance blocks which have clear links with the underlying electrochemical phenomena. The model parameters are determined by a specific testing procedure based on EIS and OCV measurements which are applied to a commercial lithium-ion cell. The model is validated in the time domain and shows excellent capability in estimating the voltage at the device terminals, efficiency, power and energy density under different operating rates and SoC. Chapter 7 investigates lifetime modelling of BESS. Aging tests are carried out on Li-ion technology and used to discuss the main degradation effects. Three lifetime modelling approaches are proposed which are linked to experimental measurements and characterized by a different degree of complexity. The third part of the thesis offers the design framework about BESS by bridging the modelling phase with stationary applications. Chapter 8 deals with a grid-tied application that is the Primary Control Reserve. A proper methodology is proposed which includes: a specific control mechanism; an unconventional droop-control law and proper BESS models derived from the previous chapters. The procedure has been applied to the Italian context. Simulations show that different BESS models highly affect the reliability evaluation. Differently from simplified models (i.e. empirical models), the adopted electrical model can evaluate the impact of the high stressful rates of the application. The carried techno-economic analyses show that this fact can bring to a 20% variation in the BESS optimal design, which can highly impact on investment decisions. The analyses are based on real measurements taken at the Politecnico di Milano within the framework of the IoT-StorageLab. The methodology is proposed in the form of a computational tool in MATLAB®Simulink® named BESS4PCR. Chapter 9 deals with the design of off-grid power systems for rural electrification in Developing Countries. A novel sizing methodology is proposed which is composed of separated blocks addressing the different sizing phases: data elaboration, load and source profiles formulation, modelling of the main components (e.g. BESS) and their simulation, heuristic optimization method to formulate the robust design from a technoeconomic perspective. The procedure has been applied to design a PV+BESS microgrid system in supplying power to a rural village of Tanzania. Also in this case, simulations show that different BESS models can bring to different sizing results, especially if very simplified empirical models (based on literature/manufacturers data) are adopted. However, given the less stressful application, proper empirical models (i.e. based on laboratory test) can bring to a similar conclusion with respect to more complex electrical models. This fact provides a great opportunity in energy planning analyses like the one proposed because it can reduce the simulation time by more than ten times. The analyses are based on real data gathered within the framework of the Energy4growing project. The methodology is proposed in the form of a computational tool in MATLAB® named Poli.NRG (POLItecnico di Milano –Network Robust design).

Oggigiorno le installazioni di Sistemi di Accumulo a batteria (SdA) sono in aumento esponenziale, mentre i loro costi specifici diminuiscono in egual misura. Gli SdA stanno infatti assumendo un ruolo sempre più cruciale nello sviluppo di svariati ed eterogenei settori industriali come il settore energetico, il settore automobilitstico, l'elettronica, le telecomunicazioni, ecc.. Tuttavia, le prestazioni stimate degli SdA (densità di energia, densità di potenza, efficienza, vita utile) non possono essere assunte constanti e trasferibili da un'applicazione all'altra o da una tecnologia all'altra. Pertanto, è necessario utilizzare metodi e modelli corretti per definire criteri di progettazione adeguati per l'applicazione selezionata. L’obiettivo generale della tesi è quello di contribuire ad ampliare la letteratura di riferimento sui SdA con particolare attenzione allo sviluppo di metodi e modelli appropriati che possano fare da ponte fra studi prettamente tecnologici e le analisi tecno-economiche richieste nelle applicazioni reali. La tesi è focalizzata sulle batterie elettrochimiche, considerando l’elettronica di potenza ormai matura sia dal punto di vista tecnologico sia della modellazione matematica. Gli obiettivi specifici sono: lo sviluppo di un background di riferimento sulle tecnologie, le prestazioni e la modellazione degli SdA; la formulazione di modelli innovativi di SdA per rappresentare i fenomeni dinamici e d’invecchiamento; lo sviluppo di metodologie adeguate per analizzare le prestazioni tecno-economiche dei SdA quando impiegati in applicazioni stazionarie. Il lavoro si basa su attività teoriche, numeriche e sperimentali. Le attività sperimentali sono state fondamentali per sviluppare e affinare i modelli. Le analisi numeriche, basate su dati reali raccolti sul campo, sono state necessarie per testare e validare i modelli in applicazioni reali. Questi temi sono sviluppati specificamente per la tecnologia delle batterie agli ioni di litio e per applicazioni stazionarie. La prima parte della tesi offre un quadro di riferimento sugli SdA e si basa sull’ analisi della letteratura insieme ad attività sperimentali preliminari. Il capitolo 2 offre una panoramica sulle opzioni di accumulo elettrochimico (prestazioni, quote di mercato, costi) con particolare attenzione alla tecnologia agli ioni di litio. Il capitolo 3 approfondisce le performance dei SdA grazie a misurazioni sperimentali su celle agli ioni di litio. Densità energetica, densità di potenza ed efficienza sono utilizzati come indicatori chiave per discutere delle prestazioni degli SdA in applicazioni reali. Il capitolo 4 propone una revisione bibliografica circa la modellazione degli SdA che si articola in quattro approcci: elettrochimici, analitici (empirici), elettrici e stocastici. Sono identificati due compiti principali ai quali i modelli di batterie devono assolvere: la stima delle condizioni operative (cioè la stima dello stato di carica, SoC), la stima della vita utile (cioè la stima del SoH). La seconda parte offre un quadro di riferimento per quanto concerne la modellazione dei sistemi di accumulo. Nel capitolo 5 vengono esposti i principali elementi teorici necessari per sviluppare modelli con approccio elettrico. Il capitolo 6 raccoglie il principale elemento di originalità della tesi: un nuovo modello elettrico per le celle agli ioni di litio capace di riprodurne la risposta dinamica come funzione non lineare dello SoC. Il modello è composto da impedenze equivalenti, caratterizzate da un chiaro nesso con i relativi fenomeni elettrochimici che intendono rappresentare. I parametri del modello sono determinati da una procedura specifica basata su misurazioni di spettroscopia di impedenza e di scarica a vuoto. Il modello è validato nel dominio del tempo e dimostra una grande accuratezza nello stimare la tensione ai terminali del dispositivo, l'efficienza, la densità di potenza e la densità energetica a diverse correnti e SoC. Il capitolo 7 approfondisce la modellazione della vita utile dei SdA. Risultati da prove sperimentali sono presentati e utilizzati per discutere i principali effetti di degradazione. Tre approcci di modellazione della vita utile sono quindi proposti, caratterizzati da un diverso grado di complessità. La terza parte della tesi ha l’obiettivo di creare un ponte fra le attività di modellazione e le applicazioni stazionarie. Il capitolo 8 approfondisce un'applicazione stazionaria connessa alla rete: la regolazione primaria di frequenza (RPF). Viene proposta una metodologia di studio appropriata che include: un controllore specifico, una legge di statismo non convenzionale e modelli di SdA adeguatamente sviluppati sulla base dei risultati dei precedenti capitoli. La procedura è stata applicata al contesto italiano. Le simulazioni mostrano che l’uso di modelli diversi di SdA influenza la valutazione dell’affidabilita. A differenza dei modelli semplificati (i.e. modelli empirici), il modello elettrico sviluppato riesce a valutare l’impatto delle condizioni operative molto “stressanti” determinate dalla particolare applicazione. Le analisi tecno-economiche mostrano che questo aspetto impatta su una variazione del 20% del dimensionamento ottimale, fatto che può drasticamente impattare sulle valutazioni di investimento. Le analisi sono basate su misurazioni reali effettuate presso il Politecnico di Milano nell'ambito dello IoT-StorageLab. La metodologia è proposta in forma di strumento computazionale in MATLAB®Simulink® denominato BESS4PCR. Il capitolo 9 riguarda invece l’analisi di sistemi off-grid per l'elettrificazione rurale nei Paesi in via di sviluppo. Si propone una nuova metodologia composta da blocchi distinti che affrontano separatamente le diverse fasi del dimensionamento: l’elaborazione dei dati provenienti dal contesto; la formulazione di appropriati profili di carico e di produzione; la modellazione dei componenti principali dell’impianto (SdA e PV) e loro simulazione, l’uso di un metodo di ottimizzazione euristico per formulare il dimensionamento “robusto” sulla base delle prestazioni tecno-economiche ottenute; La metodologia proposta è quindi applicata per dimensionare una microrete composta da PV+SdA per fornire alimentazione elettrica a un villaggio rurale della Tanzania. Anche in questo caso risulta evidente come diversi modelli di SdA influenzino il dimensionamento finale, in particolar modo quando sono utilizzai modelli empirici semplificati (i.e. basati su dati di letteratura o datasheet). Ciononostante, data l’applicazione meno “stressante”, si mostra come un modello empirico opportunamente sviluppato (i.e. basato su dati di laboratorio) possa condurre a risultati finali molto simili a quelli ottenibili con un ben più complesso modello elettrico. Questo fatto rappresenta una notevole opportunità in analisi energetiche come quella proposta in quanto può ridurre i tempi di simulazione di più di dieci volte. Le analisi si basano su dati reali raccolti nell'ambito del progetto Energy4growing. La metodologia è proposta in forma di strumento computazionale in MATLAB® denominato Poli.NRG (POLItecnico di Milano - Network Robust desiGn).