Modelado y caracterización funcional en régimen dinámico de sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía: aplicación a supercondensadores y baterías de iones de litio

El modelo energético actual presenta una situación insostenible desde los puntos de vista medioambiental y económico. Las fuentes de energía renovables, son una alternativa que puede mejorar este complicado panorama energético. Sin embargo, la irregularidad en la generación asociada a estas fuentes de energía, las hace menos competitivas frente a las fuentes basadas en combustibles fósiles. Además, el uso de energía renovable no es suficiente para reducir el impacto medioambiental de los combustibles. Esto es debido a que el transporte es uno de los principales causantes de las emisiones de gases efecto invernadero y presenta una dependencia casi total de los derivados del petróleo. Por estas razones, el uso de sistemas de almacenamiento electroquímico, se presenta cada vez más como una opción viable para su uso en sistemas de energía de respaldo en el caso de fuentes renovables de energía y como fuente principal de energía en el caso de vehículos eléctricos, gracias a los desarrollos que han experimentado tecnologías tales como los supercondensadores y baterías de iones de litio. Para integrar estos sistemas de almacenamiento en aplicaciones eléctricas de gran potencia es necesario conocer su funcionamiento y tener a disposición modelos que permitan simular el comportamiento real de estos dispositivos. Sin embargo, debido a la poca madurez de estas tecnologías no hay modelos ampliamente aceptados que permitan reproducir el comportamiento real de estos sistemas. En esta tesis doctoral se aborda el modelado dinámico de sistemas de almacenamiento electroquímico de energía formados por celdas de supercondensadores y de baterías de iones de litio. Debido a que estos sistemas son utilizados en aplicaciones eléctricas y con el objetivo de que estos modelos puedan ser utilizados en plataformas de simulación, los modelos propuestos corresponden a circuitos eléctricos determinados a partir de medidas experimentales de dispositivos utilizados en aplicaciones reales disponibles en el mercado. El punto de partida de la investigación es la comprobación experimental de los modelos utilizados por otros autores para simular el comportamiento de los sistemas de almacenamiento estudiados. Como resultado de estas pruebas se determina que los modelos basados en celdas individuales no permiten modelar de forma precisa el comportamiento dinámico de conjuntos de SCs conectados en serie y módulos de baterías de iones de litio. A partir de los resultados experimentales de pruebas de caracterización de los sistemas estudiados en el dominio de la frecuencia se proponen modelos basados en unidades funcionales en lugar de celdas individuales para reproducir el comportamiento dinámico de sistemas de almacenamiento electroquímico de energía formados por celdas de supercondensadores y baterías de iones de litio. Los resultados de la comprobación experimental de los modelos basados en unidades funcionales muestran que estos modelos permiten reproducir con mayor exactitud el comportamiento real de los sistemas probados en comparación con los presentados por otros autores. A lo largo de esta tesis se desarrollan y justifican diferentes procedimientos de modelado basados en estas premisas, que pueden extenderse a cualquier tecnología de almacenamiento electroquímico basada en módulos compuestos por celdas individuales debido a la universalidad y reproducibilidad de las pruebas desarrolladas. ----------------------------------------------From an environmental and economic perspective, the current energy model is unsustainable. Energy from renewable sources provides an alternative that can improve this complicated scenario, but the irregular nature of generating these power sources makes them less competitive than those generated from fossil fuels. Moreover, the use of renewable energy does not sufficiently reduce the impact of fossil fuels, since transport is one of the main causes of greenhouse gas emissions and is almost entirely dependent on oil products. For these reasons and thanks to technological advances made in recent years, electro-chemical energy storage is becoming an ever-more viable option in power systems used to back up renewable energy sources, and as a primary source of energy in electric vehicles. Supercapacitors and lithium batteries are of high scientific and technological interest. Knowledge of how these devices operate, and access to models that simulate their actual performance, are necessary for integrating such storage systems into high-power electrical applications. Yet the lack of technical maturity means that there are no generally accepted models for reproducing the actual performance of these systems. This doctoral thesis will look into dynamic modeling for electro-chemical energy storage systems that consist of series connected supercapacitor cells and lithium-ion battery modules. Since these systems are used in electrical applications and with the aim of using these models in simulation platforms, the proposed models use electric power circuits resulting from experiments conducted on devices in real market applications. The starting point for the research involves experiments to verify models used by other researchers for simulating the performance of the storage systems under study. The results of these tests demonstrate that models based on individual cells do not allow for precise modeling of the dynamic performance of SCs connected in series and of lithium-ion battery modules.Presidente: Milan Prodanovic; Vocal: José Jesús Fraile Ardanuy; Secretaria: Mónica Chinchilla Sánche