El alumno Manex Aizpurua Alberdi obtuvo la calificación SOBRESALIENTE CUM LAUDE con mención Doctorado Internacional
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- Título de tesis: Development of a Modular and Scalable Battery Energy Storage System
Tribunal:
- Presidencia: Giorgio Spiazzi (Padova University)
- Vocalía: Erick Matheus Da Silveira Brito (Federal University of Viçosa)
- Secretaría: Eneko Unamuno Ruiz (Mondragon Unibertsitatea)
Resumen:
El uso de las baterías de ion de litio se extiende a múltiples aplicaciones, abarcando desde dispositivos a pequeña escala de pocas celdas hasta sistemas estacionarios de gran potencia que requieren la interconexión de miles de ellas. No obstante, las diferencias intrínsecas y operacionales entre las celdas limitan la energía útil del conjunto "pack" y aceleran su envejecimiento. Para mitigar estos efectos, esta tesis propone el desarrollo de un sistema de baterías (BESS, por sus siglas en inglés) de carácter modular y escalable. A diferencia de las topologías convencionales con convertidores de potencia centralizados, el BESS propuesto integra múltiples submódulos de baterías con convertidores dedicados, lo que habilita un control individualizado a nivel de módulo y facilita su sustitución en caso de fallo.
El diseño y dimensionado de baterías modulares plantea un desafío debido al incremento en la complejidad y el costo del sistema, factores que deben justificarse mediante sus beneficios a largo plazo. En este sentido, su uso en aplicaciones de larga duración resulta prometedor, ya que el elevado coste de las baterías determina en gran medida el coste total del sistema, reduciendo así el impacto del incremento de gastos asociado al sistema de conversión de potencia (PCS). Asimismo, la arquitectura del sistema influye directamente en el rendimiento. La paralelización entre convertidores ofrece una mayor controlabilidad, por lo que se prioriza frente a la configuración en serie. No obstante, esta última sigue siendo indispensable para escalar la tensión del sistema. Por este motivo, se plantea la combinación de ambas topologías para lograr un equilibrio, permitiendo que un único diseño base sirva para configurar sistemas de baterías adaptables a diversas aplicaciones.
Con este propósito, se ha desarrollado un prototipo a escala reducida con el fin de validar diversas funcionalidades. Por un lado, se diseñó el control de bajo nivel que permite el reparto de potencia diferencial entre cualquier número de módulos y configuraciones, combinando la regulación directa de la corriente de la batería y la tensión del bus. Asimismo, se validó la capacidad del sistema para mantenerse operativo ante fallos. A un nivel superior, se propone una nueva funcionalidad que consiste en realizar pruebas en módulos específicos durante la operación continua del sistema, con el propósito de optimizar el diagnóstico y pronóstico del estado de las baterías. Mediante esta funcionalidad se abordan las limitaciones inherentes a la estimación de estado en celdas de fosfato de hierro y litio (LFP), caracterizadas por una curva de tensión en circuito abierto (OCV) sumamente plana y marcada histéresis. Al forzar la observabilidad de la batería mediante un protocolo de ensayo individualizado, se propician las correcciones necesarias para preservar la robustez de las estimaciones empleando algoritmos de estimación estándar.