Precisión en la caracterización experimental de baterías de litio

Abstract

Este trabajo de fin de estudios estudia la precisión lograda en la caracterización experimental de celdas de baterías de iones de litio. Las baterías recargables son un sistema de almacenamiento de energía en forma electroquímica, no son lineales en su comportamiento y dependen entre otros muchos parámetros de la temperatura, del estado de carga y del estado de salud. Estas variables hay que tenerlas en cuenta siempre que se quiera hacer un modelo eléctrico y térmico de la batería, en definitiva, si se quiere modelar su comportamiento real. En el presente informe se van a estudiar cuatro parámetros que caracterizan a las celdas de batería de iones de litio: la eficiencia energética, la eficiencia coulombica, la capacidad y la impedancia de la celda de batería. Para ello se hará uso de diferentes ensayos experimentales, por lo que se puede decir que se trata de un trabajo de fin de estudios puramente experimental. Para empezar, se hará un estudio sobre el error asociado a la medida de la eficiencia energética, eficiencia coulómbica y capacidad de la celda de batería. Acto seguido, este trabajo se va a centrar en seleccionar el método más preciso para medir la impedancia de una celda de batería, para ello se realizarán dos métodos diferentes. El primero consiste en un ajuste de los parámetros de un circuito equivalente que representa a la celda de batería, el cual se fijará con antelación, basado en los fenómenos físicos que tienen lugar en su interior, lo que nos llevará a desarrollar un modelo simplificado de la celda de batería. El segundo método hace uso de la herramienta proporcionada por Matlab, llamada “Battery Modeling”, que realiza el ajuste de parámetros desde un punto de vista puramente matemático. Para terminar, se realizará una comparación entre los dos métodos descritos anteriormente, y se presentan varias simulaciones con perfiles de corriente utilizados en diferentes ensayos experimentales basados en el método que ofrece mejores resultados, con el fin de comprobar que el modelo de parametrización seleccionado presenta resultados similares al ensayo experimental.

This Bachelor Project studies the precision achieved in the experimental characterization of lithium-ion battery cells. Rechargeable batteries are electrochemical energy storage systems, with a non-linear behaviour and temperature, state of charge and state of health dependencies. These variables must be considered whenever you want to make an electrical and thermal model of the battery, in short, if you want to model its real behaviour. In this report we will study four parameters that characterize lithium-ion battery cells: energy efficiency, coulombic efficiency, battery cell capacity and impedance of the battery cell. For this, different experimental tests will be used, so it can be said that it is a purely experimental Bachelor Project. To begin with, a study will be carried out on the error associated with the measurement of energy efficiency, coulombic efficiency and battery cell capacity. Then, this work is going to focus on selecting the most accurate method to measure the impedance of a battery cell, for which two different methods will be carried out. The first consists of an adjustment of the parameters of an equivalent circuit that represents the battery cell, which will be set in advance, based on the physical phenomena that take place inside it, which will lead us to develop a simplified model of the battery cell. The second method makes use of the tool provided by Matlab, called "Battery Modeling", which performs parameter adjustment from a purely mathematical point of view. Finally, a comparison will be made between the models carried out and with the one that presents the best results, several simulations will be carried out with current profiles used in different experimental tests, in such a way it will be verified if the parameterization model of the selected battery cell presents results similar to the experimental trial.