[論文レビュー] Digital twin of a MWh-scale grid battery system for efficiency and degradation analysis

Jorn M. Reniers, David A. Howey|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Advanced Battery Technologies Research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、18,900個の個別にモデル化されたセルを備えた1 MWhのグリッドスケールリチウムイオン電池システムの高精度なデジタルツインを構築した。電気化学的・熱的・パワーエレクトロニクス的ダイナミクスを統合し、時間経過に伴うセル間の劣化ばらつきがシステム性能を支配することが明らかになった。一方、比例制御による熱管理は、オンオフ方式と比較して、効率と利用可能エネルギーを5%-ポイント向上させた。これは、長期的なグリッドバッテリー性能において、熱管理が最も重要な設計要因であることを示している。

ABSTRACT

Large-scale grid-connected lithium-ion batteries are increasingly being deployed to support renewable energy roll-out on the power grid. These battery systems consist of thousands of individual cells and various ancillary systems for monitoring and control. Although many studies have focused on the behaviour of single lithium-ion cells, the impact of system design choices and ancillary system controls on long-term degradation and efficiency of system, containing thousands of cells, has rarely been considered in detail. Here, we simulate a 1 MWh grid battery system consisting of 18900 individual cells, each represented by a separate electrochemical model, as well as the thermal management system and power electronic converters. Simulations of the impact of cell-to-cell variability, thermal effects, and degradation effects were run for up to 10000 cycles and 10 years. It is shown that electrical contact resistances and cell-to-cell variations in initial capacity and resistance have a smaller effect on performance than previously thought. Instead, the variation in degradation rate of individual cells dominates the system behaviour over the lifetime. The importance of careful thermal management system control is demonstrated, with proportional control improving overall efficiency by 5 %-pts over on-off methods, also increasing the total usable energy of the battery by 5 %-pts after 10 years.

研究の動機と目的

• 実際のセル間ばらつきとシステムレベルの制御を想定した大規模グリッドバッテリー・システムの長期的性能を調査すること。
• 電気的接触抵抗および初期セルパラメータのばらつきが、システム効率および劣化に与える影響を定量すること。
• 10年間のライフタイムにわたり、ラウンドトリップ効率、劣化、利用可能エネルギーに与える影響を評価するため、さまざまな熱管理システムの制御戦略を検討すること。
• 数千個のセルを個別に電気化学的および熱的ダイナミクスでシミュレート可能なスケーラブルで物理ベースのデジタルツインモデルを開発すること。
• 大規模グリッドバッテリーの長期的性能および経済的実現可能性に最も顕著に影響を与えるシステム設計および制御パラメータを特定すること。

提案手法

• 電気化学的モデルに劣化および熱的効果を組み込んだ物理ベースの電池モデルを用いて、18,900個の個別リチウムイオンセルをシミュレートした。
• パワーエレクトロニクスコンバータ、熱管理システム、電気的接続部の接触抵抗を含む詳細なモデルを統合した。
• 電気的電流分布、熱的勾配、電圧ダイナミクスを含む全システムのマルチフィジックス結合フレームワークを採用した。
• セル → ブロック → モジュール → ラック → コンパートメントという階層的バッテリー構造モデルを用い、実際のグリッドバッテリー構成を反映した。
• オンオフ、比例、しきい値ベースの方法を含む5種類の異なる熱制御戦略を実装し、起動温度を変更した。
• 10,000サイクルおよび10年間にわたるシミュレーションを実施し、さまざまな制御およびばらつき条件における効率、劣化、利用可能エネルギーの変化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期容量および抵抗のセル間ばらつきが、1 MWhバッテリー・システムのシステムレベルの効率および劣化にどのように影響するか？
• RQ2 大規模バッテリー・パックにおける電気的接触抵抗が、電流分布およびシステム性能に与える影響は何か？
• RQ3 オンオフ制御と比較して、比例制御を含むさまざまな熱管理制御戦略が、ラウンドトリップ効率および長期的劣化にどのように影響するか？
• RQ4 初期パラメータのばらつきと比較して、個々のセルの劣化速度のばらつきが、時間経過に伴いシステム性能にどれほど大きな影響を及えるか？
• RQ5 グリッドスケールバッテリー・システムにおいて、熱管理のエネルギー消費、劣化、利用可能エネルギーの間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 電気的接触抵抗および初期セルパラメータのばらつき（容量および抵抗）は、小規模な研究からの予想に比べ、全体のシステム効率および劣化にほとんど影響を与えない。
• 個々のセルの劣化速度のばらつきが、10年間のライフタイムにわたってシステム性能に最も顕著な影響を及ぼしており、セル間の容量差が拡大している。
• 比例制御による熱管理は、オンオフ制御と比較して、10年後に劣化を低減し、ラウンドトリップ効率を5%-ポイント向上させ、利用可能エネルギーも5%-ポイント増加させた。
• オンオフ制御では、充電エネルギーの約8%を熱管理に消費し、平均容量の劣化を7%-ポイント増加させ、利用可能エネルギーを5%-ポイント減少させる。
• 最も効率的な熱管理システム設計には、充電エネルギーの約20%が必要であり、温度非均一性を低く保つが、経済的に実現可能ではない。
• 冷却システムの起動を遅らせるのは、冷却消費電力を減らすため一時的に利用可能エネルギーを増加させることができるが、長期的には劣化を増加させ、持続不可能である。