Browsing by Author "Braco Sola, Elisa"
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Publication Embargo Análisis de la degradación de baterías de iones de litio provenientes de vehículos eléctricos(2021) Reche Salguero, Alejandro; Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola TeknikoaUna vez las baterías de los vehículos eléctricos llegan al 80% de su capacidad energética inicial, son retiradas. Pese a ello, su capacidad remante es aún elevada, por lo que podrían ser reutilizadas en otros ámbitos. Sin embargo, la viabilidad técnica de dichas baterías en una segunda vida es incierta. El objetivo de este proyecto es realizar un estudio sobre el envejecimiento de baterías retiradas de vehículos reales, con el fin de determinar si pueden reutilizarse posteriormente en aplicaciones de almacenamiento con energías renovables. Por ejemplo, pudiendo guardar excedentes de energía eléctrica y utilizarla posteriormente para situaciones en las que la demanda aumente. Para ello, se analizarán ensayos de envejecimiento acelerado, modificando factores como pueden ser la temperatura o la corriente. Finalmente, se extraerán conclusiones con el fin de estimar la vida útil de las baterías reutilizadas.Publication Open Access Analysis and modelling of calendar ageing in second-life lithium-ion batteries from electric vehicles(IEEE, 2022) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Gobierno de NAVARRA / Nafarroako GobernuaThe reuse of Li-ion batteries from electric vehicles is a promising alternative to recycling nowadays. However, the technical and economic viability of these second-life (SL) batteries is not yet clear. Degradation assessment plays a key role not only to analyse the impact of ageing factors in reused batteries, but also to quantify their durability. In this context, this contribution aims to analyse calendar ageing behaviour in SL cells. 16 reused Nissan Leaf modules are aged during 750 days under three temperatures and four State of Charge (SOC), covering a State of Health range from 72.2 % to 13 %. The impact of temperature and SOC as stress factors is firstly analysed, concluding that their increase accelerates ageing. Temperature rise is found to have a major impact, accelerating up to 27 times capacity fade and almost 6 times resistance increase when compared to light ageing conditions, while increasing SOC nearly doubles ageing rates. The worst ageing case is found to be the combination of 60 ◦C and 66 % of SOC. Regarding degradation trends, they are proven to be constant during all SL lifetime. This work also proposes and validates a calendar ageing model for SL cells. Accuracy of validation results show a fitting Rsq of 0.9941 in capacity fade and 0.9557 in resistance increase, thereby tracking the heterogeneous degradation of the SL cells under calendar ageing.Publication Open Access Characterization and capacity dispersion of lithium-ion second-life batteries from electric vehicles(IEEE, 2019) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako GobernuaNowadays, electric vehicle batteries reutilization is considered such as a feasible alternative to recycling, as it allows to benefit from their remaining energy and to enlarge their lifetime. Stationary applications as self-consumption or isolated systems support are examples of possible second life uses for these batteries. However, the modules that compose these batteries have very heterogeneous properties, and therefore condition their performance. This paper aims to characterize and analyze the existing capacity dispersion of Nissan Leaf modules that have reached the end of their lifetime on their original application and of new modules of this Electric Vehicle, in order to establish a comparison between them.Publication Open Access Design and simulation of a single-phase inverter with digital PWM(2016) Braco Sola, Elisa; Ruiz Tadeo, Fernando José; Waldhorst, Andreas; Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación; Telekomunikazio eta Industria Ingeniarien Goi Mailako Eskola Teknikoa; Hochschule Niederrhein (Alemania)El presente proyecto tiene como objetivo principal el diseño de un inversor monofásico con fines académicos. El rasgo más distintivo es la implementación digital de la modulación PWM, empleando una placa Arduino para este fin. A pesar de que hoy en día es posible encontrar inversores monofásicos en circuitos integrados, en vista a reforzar el enfoque académico, el circuito será diseñado y construido pieza a pieza. Así, se facilita el entendimiento y visualización los componentes necesarios, así como la comprobación de las formas de ondas en los elementos internos. Para lograr estos objetivos, se realizará un primer análisis teórico, incluyendo aplicaciones y elementos básicos. Posteriormente se definirán las características específicas del inversor deseado, permitiendo así el cálculo y selección de los componentes necesarios. Una parte fundamental del trabajo recae en la programación de la señal PWM. Por ello, se contemplarán las posibilidades del microcontrolador al respecto. Diversas opciones para el código serán consideradas y se seleccionará la mejor para la aplicación. Tras el enfoque teórico, el circuito completo será simulado con el software LTSpice e implementado en una protoboard. Asimismo se realizarán medidas con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del equipo y su eficiencia. Finalmente, el circuito será impreso en una PCB.Publication Embargo Estrategia de gestión energética con baterías de segunda vida para autoconsumo residencial(2021) Martín Castilla, Álvaro; Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola TeknikoaLa retirada del mercado de las baterías de los vehículos eléctricos de primera generación abre la posibilidad a su reutilización proporcionando un servicio distinto del que fueron concebidas. Dentro del abanico de aplicaciones en el que pueden funcionar estas baterías de segunda vida, su uso para el autoconsumo en viviendas se alza como una importante alternativa. En los próximos años se espera un cambio importante en el sistema eléctrico de potencia respecto al modelo actual. La inserción cada vez mayor de fuentes de generación renovables en la red eléctrica conlleva implícitamente un cambio en la relación que hay entre la generación y el consumo. Esta generación renovable se va a traducir en una transformación del modelo actual, de carácter centralizado, para dar paso a un modelo de generación distribuida. La generación y el consumo en muchos casos se va a producir en un mismo emplazamiento y por ello, el hecho de disponer de almacenamiento para satisfacer las necesidades de los usuarios y reducir la dependencia de red pasa por la disposición de una batería como posible solución. Este proyecto tiene como objeto el estudio del funcionamiento de una batería de segunda vida en una aplicación para el autoconsumo en viviendas. Para evaluar su comportamiento, se ha diseñado una estrategia de gestión energética integrada en la microrred de una vivienda residencial. La batería con la que se va a trabajar, proveniente del Nissan Leaf, ha adquirido una nueva utilidad gracias a su reutilización por parte del fabricante BeePlanet. En este estudio se va a programar una estrategia de gestión de la batería para proporcionar dos servicios distintos. Por una parte, aprovechando que el precio de la luz es bastante inferior durante la noche respecto a ciertos momentos del día, se va a incorporar en la batería un ciclo de carga nocturno con la finalidad de poder proporcionar su potencia para satisfacer la demanda en las primeras horas de la mañana. El segundo de los servicios que se ha incluido en la batería es el denominado Peak Shaving, cuyo objetivo es aplanar los picos de demanda de tal forma que la batería se encargue de evitar la compra de energía de red cuando su precio es más elevado. Así, se pretende comprobar cómo esta estrategia va a afectar al autoconsumo en la vivienda y a la degradación del sistema de almacenamiento.Publication Open Access Experimental assessment of cycling ageing of lithium-ion second-life batteries from electric vehicles(Elsevier, 2020) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Berrueta Irigoyen, Alberto; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, 0011–1411–2018–000029 GERA; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa, ReBMS PJUPNA1904The reutilization of batteries from electric vehicles allows to benefit from their remaining energy capacity and to increase their lifespan. The applications considered for the second life of these batteries are less demanding than electric vehicles regarding power and energy density. However, there is still some uncertainty regarding the technical and economic viability of these systems. In this context, the study of the ageing and lifetime of reused batteries is key to contribute to their development. This paper assesses the experimental cycle ageing of lithium-ion modules from different Nissan Leaf through accelerated cycling tests on their second life. The evolution of the internal parameters during ageing and the correlation between them are shown, including the analysis of best fitting curves. In addition, a second-life end-of-life criterion is proposed, based on capacity and internal resistance measurements during cells ageing, which can be applied to real application in order to prevent safety issues. By estimating future values from degradation trends and checking latter measurements, the ageing knee is identified. Results show that the modules operate for at least 2033 equivalent full cycles before reaching their ageing knee. This would mean more than 5 years of operation in a real second-life application, such as a photovoltaic self-consumption installation with daily cycling. Moreover, it is shown that a traditional cell characterisation based on capacity and internal resistance measurements is not enough to predict the durability of a cell during its second life.Publication Open Access Experimental assessment of first- and second-life electric vehicle batteries: performance, capacity dispersion, and aging(IEEE, 2021) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Berrueta Irigoyen, Alberto; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako GobernuaNowadays, the reuse of electric vehicle batteries is considered to be a feasible alternative to recycling, as it allows them to benefit from their remaining energy capacity and to enlarge their lifetime. Stationary applications, such as self-consumption or off-grid systems support, are examples of second-life (SL) uses for retired batteries. However, reused modules that compose these batteries have heterogeneous properties, which limit their performance. This article aims to assess the influence of degradation in modules from electric vehicles, covering three main aspects: performance, capacity dispersion, and extended SL behavior. First, a complete characterization of new and reused modules is carried out, considering three temperatures and three discharge rates. In the second stage, intra- and intermodule capacity dispersions are evaluated with new and reused samples. Finally, the behavior during SL is also analyzed, through an accelerated cycling test so that the evolution of capacity and dispersion are assessed. Experimental results show that the performance of reused modules is especially undermined at low temperatures and high current rates, as well as in advanced stages of aging. The intramodule dispersion is found to be similar in reused and new samples, while the intermodule differences are nearly four times greater in SL.Publication Open Access Fast capacity and internal resistance estimation method for second-life batteries from electric vehicles(Elsevier, 2023) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaThe success of second-life (SL) Li-ion batteries from electric vehicles is still conditioned by their technical and economic viability. The knowledge of the internal parameters of retired batteries at the repurposing stage is key to ensure their adequate operation and to enlarge SL lifetime. However, traditional characterization methods require long testing times and specific equipment, which result in high costs that may jeopardize the economic viability of SL. In the seek of optimizing the repurposing stage, this contribution proposes a novel fast characterization method that allows to estimate capacity and internal resistance at various state of charge for reused cells, modules and battery packs. Three estimation models are proposed. The first of them is based on measurements of AC resistance, the second on DC resistance and the third combines both resistance types. These models are validated in 506 cells, 203 modules and 3 battery packs from different Nissan Leaf vehicles. The results achieved are satisfactory, with mean absolute percentage errors (MAPE) below 2.5% at cell and module level in capacity prediction and lower than 2.4% in resistance estimation. Considering battery pack level, MAPE is below 4.2% and 1.8% in capacity and resistance estimation respectively. With the proposed method, testing times are reduced from more than one day to 2 min per cell, while energy consumption is lowered from 1.4 kWh to 1 Wh. In short, this study contributes to the reduction of repurposing procedures and costs, and ultimately to the success of SL batteries business model.Publication Open Access Health indicator selection for state of health estimation of second-life lithium-ion batteries under extended ageing(Elsevier, 2022) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Stroe, Daniel-Ioan; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaNowadays, the economic viability of second-life (SL) Li-ion batteries from electric vehicles is still uncertain. Degradation assessment optimization is key to reduce costs in SL market not only at the repurposing stage, but also during SL lifetime. As an indicator of the ageing condition of the batteries, state of health (SOH) is currently a major research topic, and its estimation has emerged as an alternative to traditional characterization tests. In an initial stage, all SOH estimation methods require the extraction of health indicators (HIs), which influence algorithm complexity and on-board implementation. Nevertheless, a literature gap has been identified in the assessment of HIs for reused Li-ion batteries. This contribution targets this issue by analysing 58 HIs obtained from incremental capacity analysis, partial charging, constant current and constant voltage stage, and internal resistance. Six Nissan Leaf SL modules were aged under extended cycling testing, covering a SOH range from 71.2 % to 24.4 %. Results show that the best HI at the repurposing stage was obtained through incremental capacity analysis, with 0.2 % of RMSE. During all SL use, partial charge is found to be the best method, with less than 2.0 % of RMSE. SOH is also estimated using the best HI and different algorithms. Linear regression is found to overcome more complex options with similar estimation accuracy and significantly lower computation times. Hence, the importance of analysing and selecting a good SL HI is highlighted, given that this made it possible to obtain accurate SOH estimation results with a simple algorithm.Publication Open Access Incremental capacity analysis of lithium-ion second-life batteries from electric vehicles under cycling ageing(IEEE, 2021) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako GobernuaNowadays, the reuse of batteries from electric vehicles is considered a promising solution to benefit from their remaining energy and extend their lifespan. Yet, the economic viability of these second-life batteries is still uncertain, and the optimization of testing at their reconfiguration stage and during their lifetime is the key to ensure their success. This paper aims to assess Incremental Capacity Analysis technique in Nissan Leaf modules during their second-life use, in order to evaluate both its potential as an State of Health estimator and as a tool to identify underlying degradation mechanisms. Despite the different internal state and ageing rates observed between the tested modules, ICA is found to be consistent at similar SOH levels. The influence of ageing, current and temperature on ICA is evaluated through an accelerated cycling test. Results show that ICA is a promising alternative to estimate SOH during second life even at currents up to C/2 and testing temperatures of 45 °C. However, testing by accelerated currents and temperatures is not recommended for the identification of degradation mechanisms.Publication Open Access Integration of second-life batteries in residential microgrids and fast charging stations(IEEE, 2022) San Martín Biurrun, Idoia; Braco Sola, Elisa; Martín Castilla, Álvaro; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Gobierno de Navarra / Nafarroako GobernuaThe potential of batteries from electric vehicles to be given a second life in stationary applications could be starting to become a reality in few years. However, the technical and economic feasibility of such second-life batteries (SLBs) is still uncertain. In this context, this paper analyses the real operation of a SLB in three scenarios: two of residential microgrids with photovoltaic generation under different strategies, and a fast charging station for electric mobility. To this end, three energy management strategies are developed, the first of which seeks to maximise the self-consumption of a typical household with photovoltaic generation; the second, in addition to maximising self-consumption, presents a night-time charge and peak shaving of the contract power from the grid; and the last refers to an urban bus charging station in which the aim is to reduce the contract power from the grid. Experimental validation of SLB during more than three weeks of operation in each of the scenarios have proved the technical viability of these batteries in the applications analysed.Publication Open Access On the second life of lithium-ion batteries from electric vehicles: characterisation, ageing and applications(2022) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Ursúa Rubio, Alfredo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaEl cambio en nuestro modelo de consumo y producción de energía es cada vez más urgente. Los problemas medioambientales, económicos y sociales relacionados con los combustibles fósiles han motivado la reacción gubernamental y ciudadana en búsqueda de soluciones alternativas. Así, la transición en el sector de la automoción hacia el vehículo eléctrico es ya una realidad. Las baterías de iones de litio son el corazón de los vehículos eléctricos, ya que posibilitan su autonomía y operación de forma similar a sus homólogos de combustión. No obstante, debido al uso, las características internas de estas baterías se degradadas, de tal modo que son retiradas cuando pierden en torno a un 30 % de capacidad energética. En los últimos años, la reutilización de estas baterías ha surgido como alternativa que permite aprovechar la capacidad energética remanente, alargando de este modo su vida útil. Aplicaciones estacionarias, como la integración de energías renovables o servicios de red, son consideradas como escenarios prometedores para estas baterías de segunda vida. Sin embargo, la viabilidad técnica y económica de estos sistemas de almacenamiento es hoy en día incierta. Esta tesis se centra en la viabilidad técnica de baterías de iones de litio de segunda vida provenientes de vehículos eléctricos. El estudio tiene un gran carácter experimental, utilizando para ello baterías reales que ya han finalizado su primera vida. Las principales líneas de trabajo de la tesis son: • Revisión del estado del arte actual de la segunda vida. • Caracterización del estado interno y análisis de la dispersión. • Estudio de la degradación y durabilidad en función del envejecimiento. • Mejora de la evaluación del estado interno, tanto en la etapa de reconfiguración como durante la operación de la segunda vida. • Estudio de la viabilidad técnica de un prototipo reconfigurado con módulosde segunda vida en distintas aplicaciones estacionarias.Publication Open Access State of health estimation of second-life lithium-ion batteries under real profile operation(Elsevier, 2022) Braco Sola, Elisa; San Martín Biurrun, Idoia; Sanchis Gúrpide, Pablo; Ursúa Rubio, Alfredo; Stroe, Daniel-Ioan; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate PublikoaThe economic viability of second-life (SL) Li-ion batteries from electric vehicles (EVs) is still uncertain nowadays. Assessing the internal state of reused cells is key not only at the repurposing stage but also during their SL operation. As an alternative of the traditional capacity tests used to this end, the estimation of State of Health (SOH) allows to reduce the testing time and the need of equipment, thereby reinforcing the economic success of SL batteries. However, the estimation of SOH in real SL operation has been rarely analysed in literature. This contribution aims thus to cover this gap, by focusing on the experimental assessment of SOH estimation in reused modules from Nissan Leaf EVs under two SL scenarios: a residential household with self-consumption and a fast charge station for EVs. By means of partial charge and experimental data from cycling and calendar ageing tests, accuracy and robustness of health indicators is firstly assessed. Then, SOH estimation is carried out using real profiles, covering a SOH range from 91.3 to 31%. Offline assessment led to RMSE values of 0.6% in the residential profile and 0.8% in the fast charge station, with a reduction in testing times of 85% compared to a full capacity test. In order to avoid the interruption of battery operation, online assessment in profiles was also analysed, obtaining RMSE values below 1.3% and 3.6% in the residential and charging station scenarios, respectively. Therefore, the feasibility of SOH estimation in SL profiles is highlighted, as it allows to get accurate results reducing testing times or even without interrupting normal operation.Publication Embargo Viabilidad técnica de baterías de segunda vida de vehículos eléctricos en aplicaciones de movilidad eléctrica: análisis y validación experimental(2021) Molina Alcalá, Juan José; San Martín Biurrun, Idoia; Braco Sola, Elisa; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola TeknikoaEn este Trabajo se va a comprobar la viabilidad técnica de una batería de segunda vida en dos situaciones diferentes. Por un lado, se ha analizado la posibilidad de utilizar una batería en una estación de carga de una línea de autobús urbano eléctrico y pionera situada en Pamplona. Por otro lado, se ha estudiado el comportamiento de una batería para una aplicación de autoconsumo residencial. Para un estudio completo, se ha dividido el Trabajo en dos fases, una fase de simulación en donde se pretende estudiar y analizar la potencia, la intensidad, el trasiego de energía, etc. de la batería ante las dos situaciones que se acaban de comentar y, posteriormente, cuando se sepa cómo evoluciona la batería en cada situación, se llevará a cabo el estudio en un entorno experimental para ver cómo evoluciona la batería, si es fiable o no el modelo de simulación y para obtener unos resultados experimentales que sirvan para lograr unas conclusiones férreas que indiquen si realmente es viable técnicamente una batería de segunda vida. En el Trabajo se han estudiado una celda nueva y una celda de segunda vida y, además, una batería de segunda vida de BeePlanet y una batería relativamente nueva de la marca LG. Todo ello para poder comprobar las diferencias que existen entre una celda/batería nueva con respecto a una celda/batería de segunda vida.