Modeling and control of a vanadium redox flow battery

Abstract

(English) Due to the current climate crisis, significant efforts are being made in the field of renewable energies, being one of the main challenges the storage of energy in an efficient, environmentally friendly and low-cost way. One of the solutions that has aroused the most attraction in recent years are the redox flow batteries, standing out for their flexible design in terms of power and energy, among many other advantages. In particular, vanadium redox flow batteries hold the most promise, due to their long lifetime. However, in view of its recent boom, there are still important challenges to be resolved, such as the correct estimation of the state of charge and the state of health or the search for better materials, among other important aspects. Specifically, this work focuses on the modeling and control aspects of vanadium redox flow batteries, fields that are still being studied by the scientific community, in need of finding adequate control laws, as well as state and parameter estimators. The first part of this work focuses on presenting the operation and characteristics of vanadium redox flow batteries, as well as developing a state of the art in terms of modeling and control. The second part presents the mathematical development of a model that takes into account the most important aspects and variables of vanadium batteries, under different chemical and physical scenarios. The developed generic model is presented as a tool for anyone interested in understanding the most important dynamics of these electrochemical devices, providing a free-to-use interface in the Matlab environment. In addition, at the end of this section the different conservation principles are presented that allow reducing the order of the model and, therefore, its complexity for the control part. The following chapters present the development of the state and parameter estimators, considering the different models. The main objective is to present new and different control techniques that allow estimating the state of charge and the state of health of the system, without considering some hypotheses that are commonly used by the scientific community. Continuing with this part, the different control strategies that existed are presented, formulating different controllers that allow the system to operate safely, efficiently and optimally. Finally, the experimental platform that has been designed to validate the different studies carried out and the results obtained from this experimental prototype is shown.

(Català) A causa de l'actual crisis climàtica, s'estan fent importants esforços en el camp de les energies renovables, essent un dels reptes principals l'emmagatzematge d'energia de forma eficient, respectuosa amb el medi ambient i amb baix cost. Una de les solucions que més atracció ha despertat en els darrers anys són les bateries de flux redox, destacant pel seu disseny flexible quant a potència i energia, entre molts altres avantatges. En especial, les bateries de flux redox de vanadi són les més prometedores, a causa de la seva llarga vida útil. Tot i això, davant del seu recent auge, encara queden reptes importants per resoldre, com la correcta estimació de l'estat de càrrega i l'estat de salut, entre altres aspectes importants. En concret, aquest treball es centra en els aspectes de modelatge i control de les bateries de flux redox de vanadi, camps que encara són estudiats per la comunitat científica, en la necessitat de trobar lleis de control adequades, així com estimadors d'estats i paràmetres. La primera part d'aquest treball s'enfoca a presentar el funcionament i les característiques de les bateries de flux redox de vanadi, així com desenvolupar un estat de l'art quant a la part de modelatge i control. La segona part presenta el desenvolupament matemàtic d'un model que té en compte els aspectes i les variables més importants de les bateries de vanadi, sota diferents escenaris químics i físics. El model genèric desenvolupat es presenta com una eina per a qualsevol persona interessada a comprendre les dinàmiques més importants d'aquests dispositius electroquímics, brindant una interfície de lliure ús en entorn Matlab. A més, al final d'aquesta secció es presenten els diferents principis de conservació que permeten reduir l'ordre del model i, per tant, la seva complexitat de cara a la part de control. Els capítols següents presenten el desenvolupament dels estimadors d'estats i de paràmetres, considerant els diferents models, i per tant els escenaris, presentats anteriorment. L'objectiu principal és presentar noves i diferents tècniques de control que permetin estimar l'estat de càrrega i l'estat de salut del sistema, sense la consideració d'algunes hipòtesis que són utilitzades comunament per la comunitat científica. Continuant amb aquesta part, es presenten les diferents estratègies de control que existeixen, formulant diferents controladors que permeten que el sistema operi de manera segura, eficient i òptima. Finalment, es mostra la plataforma experimental que s'ha dissenyat per validar els diferents estudis realitzats i els resultats obtinguts a partir d'aquest prototip experimental.

(Español) Debido a la actual crisis climática, se están haciendo importantes esfuerzos en el campo de las energías renovables, siendo uno de los principales retos el almacenamiento de energía de forma eficiente, respetuosa con el medio ambiente y con bajo coste. Una de las soluciones que más atracción ha despertado en los últimos años son las baterías de flujo redox, destacando por su diseño flexible en cuanto a potencia y energía, entre otras muchas ventajas. En especial, las baterías de flujo redox de vanadio son las más prometedoras, debido a su larga vida útil. Sin embargo, pese a su reciente auge, todavía quedan retos importantes por resolver, como la correcta estimación del estado de carga y el estado de salud o la búsqueda de mejores materiales, entre otros aspectos importantes. En concreto, este trabajo se centra en los aspectos de modelado y control de las baterías de flujo redox de vanadio, campos que todavía son estudiados por la comunidad científica, en la necesidad de encontrar leyes de control adecuadas, así como estimadores de estados y parámetros. La primera parte de este trabajo se enfoca en presentar el funcionamiento y las características de las baterías de flujo redox de vanadio, así como desarrollar un estado del arte en cuanto a la parte de modelado y control. La segunda parte presenta el desarrollo matemático de un modelo que tiene en cuenta los aspectos y variables más importantes de las baterías de vanadio, bajo diferentes escenarios químicos y físicos. El modelo genérico desarrollado se presenta como una herramienta para cualquier persona interesada en comprender las dinámicas más importantes de estos dispositivos electroquímicos, brindando una interfaz de libre uso en entorno Matlab. Además, al final de esta sección se presentan los diferentes principios de conservación que permiten reducir el orden del modelo y, por tanto, su complejidad de cara a la parte de control. Los siguientes capítulos presentan el desarrollo de los estimadores de estados y de parámetros, considerando los diferentes modelos, y por tanto los escenarios, presentados anteriormente. El objetivo principal es presentar nuevas y diferentes técnicas de control que permitan estimar el estado de carga y el estado de salud del sistema, sin la consideración de algunas hipótesis que son utilizadas comúnmente por la comunidad científica. Continuando con esta parte, se presentan las diferentes estrategias de control que existieron, formulando distintos controladores que permiten que el sistema opere de forma segura, eficiente y óptima. Por último, se muestra la plataforma experimental que se ha diseñado para validar los diferentes estudios realizados y los resultados obtenidos a partir de este prototipo experimental.