Elaborazione di modelli per la stima dell'invecchiamento e il dimensionamento termico di sistemi di accumulo a batteria

The purpose of this thesis is to develop two models, that can be used to define the aging and the thermal behaviour of batteries, working as storage systems. The root of our elaboration is based on a teoretical research over how the accumulation systems work, but also on their characteristic parameters and their degradation mechanisms. Going further, one of the main parameters, which is underlined in this work, was the State of Health of the batteries and its complicated estimation, as a function of the capacity degradation and the growing of internal resistance of the electrochemical cells; a loss of State of Health is, also, reflected in a worsening of the battery efficency, that has to be summed to the other components of the storage systems. In the meantime, the thermal behaviour of a battery rack was analysed; the battery temperature, indeed, strongly influences the aging of the battery, modifying how and how fast it looses efficiency. The tool of MatLab, Simulink, was exploited to build the aimed models. The context of this study is the one of the BESS – Battery Energy Storage Systems- in which different racks are organized in series, in a container, where an auxiliary cooling system is located. The simulations were run to validate the models, and the results, useful for the design of the BESS, show that it is possible to know how much capacity is necessary to be installed to guarantee a certain life, with an established available capacity at the End of Life; it is also possible to predict the size of the cooling system, and, at the same time, we can evaluate the temperature profile, the expected cycle and calendar life and the aging rate of the battery system, when a power profile of charge/discharge is given.

Questa tesi si pone l’obiettivo di elaborare due modelli, utili a definire l’invecchiamento ed il dimensionamento termico di batterie, impiegate come sistemi di accumulo. La base di questa elaborazione si fonda su una ricerca teorica, svolta in merito al funzionamento dei sistemi di accumulo, nel particolare delle batterie, dei loro parametri caratteristici e dei loro meccanismi di degradazione; il primo ed il secondo capitolo sono dedicati all’ esposizione dei risultati di questa ricerca. Nell’ambito di tale lavoro di studio, si è evidenziato il tema che riguarda la stima dello Stato di Salute (SoH) delle batterie, sul quale incidono sia la degradazione della capacità, sia l’aumento di resistenza interna delle celle elettrochimiche; la diminuzione dello SoH coincide con una perdita di efficienza delle sole batterie, che va a sommarsi a quella degli altri elementi che compongono i sistemi di stoccaggio. Nel contempo, si è studiato il comportamento termico di un sistema di batterie; la temperatura di batteria, infatti, è un parametro che fortemente influenza l’invecchiamento della stessa, variandone anche le modalità e la velocità di degradazione. L’ambiente scelto per lo sviluppo dei due modelli è quello di MatLab/Simulink, attraverso il quale si è potuto costruire i due strumenti desiderati. Il contesto che andremo ad analizzare è quello dei sistemi di stoccaggio a batteria (BESS), in cui diversi scaffali di moduli in serie sono adagiati all’interno di un container, nel quale è previsto un ausiliario sistema di raffreddamento. Le simulazioni effettuate, per testare la validità dei modelli, daranno risultati, utili in fase progettuale, relativi alla capacità nominale da installare ed al dimensionamento dell’impianto di raffreddamento; allo stesso tempo, sarà possibile stimare un profilo della temperatura, la vita utile e il tasso di invecchiamento delle batterie impiegate in un ESS, per un dato profilo di potenza in carica/scarica.