[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究构建了一个1 MWh电网级锂离子电池系统的高保真数字孪生模型，其中包含18,900个独立建模的电芯，整合了电化学、热力和电力电子动态特性。研究发现，电芯间退化差异是影响系统长期性能的主导因素；与开关式控制相比，比例式热管理可将效率和可用能量提升5%-pts，凸显热管理是决定电网电池长期性能的关键设计参数。

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.

研究动机与目标

• 研究在真实电芯间差异和系统级控制条件下，大规模电网电池系统的长期性能表现。
• 量化电气接触电阻和初始电芯参数差异对系统效率与退化的影响。
• 评估不同热管理系统控制策略在10年生命周期内对循环效率、退化和可用能量的影响。
• 开发一种可扩展的、基于物理原理的数字孪生模型，能够模拟数以千计电芯的独立电化学与热力动态。
• 识别对电网级电池长期性能与经济可行性影响最大的系统设计与控制参数。

提出的方法

• 采用基于物理原理的电化学模型对18,900个独立锂离子电芯进行仿真，包含退化与热效应。
• 集成电力电子变换器、热管理系统和电气连接的详细模型，包含接触电阻。
• 应用多物理场耦合框架，模拟整个系统中的电流分布、热梯度与电压动态。
• 采用分层电池架构模型（电芯 → 块 → 模块 → 机架 → 隔间）以反映真实电网电池配置。
• 实施五种不同的热控策略：开关式、比例式及基于阈值的方法，激活温度各异。
• 运行10,000次循环与10年仿真，评估在不同控制与变异条件下效率、退化与可用能量的演变。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始容量与电阻的电芯间差异如何影响1 MWh电池系统的系统级效率与退化？
• RQ2 电气接触电阻对大型电池包中电流分布与系统性能有何影响？
• RQ3 不同热管理系统控制策略（开关式 vs. 比例式）如何影响循环效率与长期退化？
• RQ4 与初始参数差异相比，单个电芯退化速率的差异在多大程度上主导了系统随时间的性能表现？
• RQ5 在电网级电池系统中，热管理能耗、退化与可用能量之间存在何种权衡？

主要发现

• 与小型研究预期相反，电气接触电阻及初始电芯参数差异（容量与电阻）对整体系统效率与退化的影响较小。
• 单个电芯退化速率的变异是影响10年寿命内系统性能的主导因素，导致电芯间容量差异持续扩大。
• 与开关式控制相比，比例式热控可将退化降低5%-pts，提升循环效率5%-pts，并在10年后使可用能量增加5%-pts。
• 开关式热控方法消耗约8%的充电能量，导致平均容量退化增加7%-pts，并使可用能量减少5%-pts，相较于最优比例控制。
• 最高效的热管理系统设计需消耗约20%的充电能量以维持低温度非均匀性，但经济上不可行。
• 延迟冷却系统启动可暂时通过减少冷却功耗提高可用能量，但会加剧退化，长期不可持续。