Electrical, thermal and aging model of Li-ion batteries for vehicle-to-grid services

In a world put under pressure by sustainable development, both the Electric Grid and the transportation sector are facing a great transition, evolving towards the growth of electric energy production from renewable energy sources and the adoption of Electric Vehicles (EV's) for a low-emission mobility. The common point of these two transitions is the lithium ion battery technology, as an energy storage system for the grid and as a power source for the vehicle, which could be exploited by both with the Vehicle-to-Grid (V2G) concept. According to V2G, when the vehicle is parked and grid connected, the EV battery is subjected to charge and discharge cycles, meeting the power requests from the aggregator to provide ancillary services for the Electric Grid. This application has a huge potential, considering the future EV market growth and that vehicles are idle for 95% of their lifetime. Nevertheless, the battery wear from additional cycling must be taken into account, as it has to be compared to the unavoidable degradation incurred by the battery when idle, and weighted by the possible revenues from providing ancillary services. Within this framework, the goal of this thesis is to model an EV battery pack and to assess the technical and economical feasibility of V2G. To this aim, this work focuses on Li-ion batteries, particularly on the nickel-manganese-cobalt (NMC) technology, which is analyzed in detail and modeled in a simple but effective way. Starting from the experimental evidences at cell level, three main layers are taken into account for a complete description: electrical model, thermal model and aging model of the cell. The final model is used to simulate the battery pack of an EV, subjected to further charge and discharge cycles due to power and energy profiles reproducing the V2G scenario. The final results indicate that V2G could be technically viable because the battery does not face a dramatic reduction of its useful life. However, the revenues, based on the current structure of the electricity market, represent an inadequate income that does not yet pay back the additional degradation, making V2G not profitable enough. To allow V2G, further developments will be needed to enhance the role of the aggregator and the revenues from ancillary services.

In un mondo messo alle strette dalla necessità di uno sviluppo sostenibile, la rete elettrica e il settore dei trasporti sono entrambi ad un punto di svolta, evolvendo verso una sempre maggiore produzione di energia elettrica da fonti energetiche rinnovabili e una sempre maggiore presenza di veicoli elettrici, per una mobilità con basse emissioni. Il punto di incontro di queste due transizioni è nella tecnologia delle batterie agli ioni di litio, che possono essere viste come una possibilità di accumulo da parte della rete e come una fonte di energia per il veicolo, e potrebbero essere sfruttate da entrambi attraverso il concetto del Vehicle-to-Grid (V2G). Secondo il V2G, quando il veicolo è parcheggiato e connesso alla rete, la sua batteria può essere soggetta a cicli di carica e scarica in funzione delle richieste di un aggregatore per fornire servizi ancillari alla rete elettrica. Questa applicazione possiede un potenziale realmente elevato se si considera la futura crescita del mercato relativo ai veicoli elettrici, che passano ben il 95% della propria vita fermi. Ciò nonostante, il V2G deve tener conto dell'ulteriore degradazione della batteria dovuta al più alto numero di cicli, comparandola con l'inevitabile invecchiamento a cui la batteria è soggetta da ferma e considerando gli eventuali ricavi dalla fornitura dei servizi di rete. In questo contesto, l'obiettivo di questa tesi è di modellizzare il pacco batteria di un veicolo elettrico e verificare la fattibilità tecnica ed economica del V2G. Concentrando l'attenzione sulle batterie agli ioni di litio ed in particolare sulla tecnologia nichel-manganese-cobalto (NMC), la tesi vuole fornire un'analisi dettagliata ed una modellizzazione semplice ma efficace di tale tecnologia. Partendo dai risultati sperimentali per la singola cella, vi sono tre diversi livelli da considerare per una modellizzazione completa del pacco batteria: il modello elettrico, termico e di invecchiamento. Per i modelli termico ed elettrico, vengono considerati circuiti del primo ordine con parametri elettrici dipendenti dalla temperatura e che influenzano a loro volta il comportamento termico della cella attraverso le perdite per effetto Joule. Per il modello di invecchiamento, si considera la diminuzione di capacità con i contributi da ciclo e calendario, legata ai precedenti modelli simulando un invecchiamento equivalente ma con fattori di stress costanti. Il modello finale è usato per simulare un pacco batteria di un veicolo elettrico in uno scenario V2G, nell'intervallo di tempo tra due spostamenti giornalieri da casa al lavoro. In tale intervallo, il pacco batteria è soggetto a ulteriori cicli di carica e scarica secondo un profilo in potenza e uno in energia, atti a simulare il contributo di regolazione primaria di frequenza e l'energia scambiata sul Mercato dei Servizi di Dispacciamento per la gestione delle riserve di potenza, il bilanciamento e la risoluzione delle congestioni di rete. I risultati finali indicano come sia possibile implementare il V2G dal punto di vista tecnico, poichè la batteria non va incontro ad una drastica riduzione della vita utile. Purtroppo i guadagni, sulla base della struttura attuale del mercato elettrico, non sono sufficienti a ripagare l'ulteriore invecchiamento ed al momento rappresentano un limite economico per lo sviluppo del V2G. L'integrazione del veicolo con la rete necessiterà sia dell'implementazione del ruolo dell'aggregatore, sia di modifiche alla struttura del mercato elettrico per migliorare i ricavi provenienti dalla fornitura dei servizi ancillari di rete.