Dissertation/ Thesis
Modelling and optimal energy management of battery-based energy storage systems for transport and industrial applications
| Τίτλος: | Modelling and optimal energy management of battery-based energy storage systems for transport and industrial applications |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Borrego Orpinell, Gerard |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Elèctrica |
| Thesis Advisors: | Díaz González, Francisco, Capó Lliteras, Macià |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 216 p. |
| Θεματικοί όροι: | Sistemas híbridos de almacenamiento de energía, vehículos eléctricos, optimización, gestión energética, baterías de segunda vida, convertidores de potencia y gemelo digital, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctrica, Àrees temàtiques de la UPC::Energies, Àrees temàtiques de la UPC::Desenvolupament humà i sostenible, 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions, 502 - Natura. Estudi, conservació i protecció de la natura, 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia |
| Περιγραφή: | (English) The global transition toward a more sustainable and low-carbon energy system is driving the electrification of transport and the large-scale integration of renewable energy sources. These transformations are essential to reduce greenhouse gas emissions and mitigate climate change, as highlighted by international initiatives such as the Kyoto Protocol and the Paris Agreement. In this context, energy storage systems play a key role in improving energy flexibility, enabling renewable integration, and supporting the operation of electrified transport systems. Despite the relevance of energy storage systems, the optimal integration and operation of battery-based energy storage systems remain challenging. Batteries are subject to degradation mechanisms that depend strongly on their operating conditions, while different applications impose significantly different power and energy requirements. For instance, electric vehicles require highly dynamic power responses due to frequent acceleration and regenerative braking events, whereas industrial environments often demand sustained power delivery for extended periods. These differences complicate the design and operation of storage systems and highlight the need for advanced modelling and energy management tools. This thesis aims to develop modeling, experimental, and optimization tools for the optimal integration and energy management of battery-based energy storage systems across different stages of their operational lifecycle. The proposed framework enables the digital representation of battery behaviour within different electrical environments and supports the development of energy management strategies that consider both battery limitations and the specific application operational requirements. To support the validation of these approaches, a flexible and cost-effective experimental test bench for hybrid energy storage systems is developed, enabling real-time evaluation of energy management strategies through a hardware-in-the-loop configuration. The proposed methodologies combine system modeling, simulation tools, and advanced control algorithms for energy management, allowing realistic assessment and experimental validation of different storage configurations. The proposed tools are applied to two representative scenarios. In electric traction applications, hybrid energy storage systems combining batteries and supercapacitors are investigated to handle the highly dynamic power profiles of electric vehicles. An optimized dual-level energy management strategy is developed and experimentally validated, achieving significant reductions in battery degradation while maintaining system efficiency and dynamic performance. In addition, the integration of second-life batteries in industrial environments is explored as a circular economy strategy. A digital twin-based framework and multi-objective energy management approach are proposed to assess the combined operation of second-life batteries and photovoltaic generation, considering both economic and environmental criteria. Overall, this work provides novel experimental platforms, modelling tools, and energy management strategies that facilitate the integration of battery-based energy storage systems across different electrical environments, supporting the deployment of more sustainable and flexible energy systems. |
| Description (Translated): | (Català) La transició global cap a un sistema energètic més sostenible i de baixes emissions de carboni està impulsant l'electrificació del transport i la integració a gran escala de les fonts d'energia renovable. Aquestes transformacions són essencials per reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i mitigar el canvi climàtic, tal com destaquen iniciatives internacionals com el Protocol de Kyoto i l'Acord de París. En aquest context, els sistemes d'emmagatzematge d'energia tenen un paper clau en la millora de la flexibilitat energètica, en permetre la integració de les energies renovables i en donar suport al funcionament dels sistemes de transport electrificats. Malgrat la rellevància dels sistemes d'emmagatzematge d'energia, la integració i l'operació òptimes dels sistemes d'emmagatzematge d'energia basats en bateries continuen sent un repte. Les bateries estan subjectes a mecanismes de degradació que depenen en gran mesura de les seves condicions d'operació, mentre que diferents aplicacions imposen requisits de potència i energia significativament diferents. Per exemple, els vehicles elèctrics requereixen respostes de potència altament dinàmiques a causa dels freqüents esdeveniments d'acceleració i de frenada regenerativa, mentre que els entorns industrials sovint exigeixen una subministració de potència sostinguda durant períodes prolongats. Aquestes diferències compliquen el disseny i l'operació dels sistemes d'emmagatzematge i posen de manifest la necessitat d'eines avançades de modelització i gestió energètica. Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar eines de modelització, experimentals i d'optimització per a la integració i la gestió energètica òptimes de sistemes d'emmagatzematge d'energia basats en bateries al llarg de les diferents etapes del seu cicle de vida operatiu. El marc proposat permet la representació digital del comportament de la bateria en diferents entorns elèctrics i dona suport al desenvolupament d'estratègies de gestió energètica que consideren tant les limitacions de la bateria com els requisits operatius específics de l'aplicació. Per donar suport a la validació d'aquests enfocaments, es desenvolupa un banc de proves experimental flexible i rendible per a sistemes d'emmagatzematge d'energia híbrids, que permet l'avaluació en temps real d'estratègies de gestió energètica mitjançant una configuració de maquinari en bucle. Les metodologies proposades combinen la modelització del sistema, eines de simulació i algorismes de control avançats per a la gestió energètica, la qual cosa permet una avaluació realista i la validació experimental de diferents configuracions d'emmagatzematge. Les eines proposades s'apliquen a dos escenaris representatius. En aplicacions de tracció elèctrica, s'investiguen sistemes d'emmagatzematge d'energia híbrids que combinen bateries i supercondensadors per gestionar els perfils de potència altament dinàmics dels vehicles elèctrics. Es desenvolupa i valida experimentalment una estratègia optimitzada de gestió d'energia de doble nivell, que aconsegueix reduccions significatives en la degradació de les bateries mentre es manté l'eficiència i el rendiment dinàmic del sistema. A més, s'explora la integració de bateries de segona vida en entorns industrials com a estratègia d'economia circular. Es proposen un marc basat en bessons digitals i un enfocament de gestió energètica multiobjectiu per avaluar el funcionament combinat de bateries de segona vida i generació fotovoltaica, tenint en compte tant criteris econòmics com mediambientals. En general, aquest treball proporciona noves plataformes experimentals, eines de modelització i estratègies de gestió energètica que faciliten la integració de sistemes d'emmagatzematge d'energia basats en bateries en diferents entorns elèctrics, donant suport al desplegament de sistemes energètics més sostenibles i flexibles. (Español) La transición global hacia un sistema energético más sostenible y con bajas emisiones de carbono está impulsando la electrificación del transporte y la integración a gran escala de las fuentes de energía renovables. Estas transformaciones son esenciales para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigar el cambio climático, tal y como se destaca en iniciativas internacionales como el Protocolo de Kioto y el Acuerdo de París. En este contexto, los sistemas de almacenamiento de energía desempeñan un papel clave a la hora de mejorar la flexibilidad energética, facilitar la integración de las energías renovables y respaldar el funcionamiento de los sistemas de transporte electrificados. A pesar de la relevancia de los sistemas de almacenamiento de energía, la integración y el funcionamiento óptimos de los sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías siguen siendo un reto. Las baterías están sujetas a mecanismos de degradación que dependen en gran medida de sus condiciones de funcionamiento, mientras que las diferentes aplicaciones imponen requisitos de potencia y energía significativamente diferentes. Por ejemplo, los vehículos eléctricos requieren respuestas de potencia muy dinámicas debido a las frecuentes aceleraciones y frenadas regenerativas, mientras que los entornos industriales suelen exigir un suministro de potencia sostenido durante largos periodos. Estas diferencias complican el diseño y el funcionamiento de los sistemas de almacenamiento y ponen de relieve la necesidad de herramientas avanzadas de modelización y gestión de la energía. El marco propuesto permite representar digitalmente el comportamiento de las baterías en distintos entornos eléctricos y facilita el desarrollo de estrategias de gestión energética que tengan en cuenta tanto las limitaciones de las baterías como los requisitos operativos específicos de cada aplicación. Para respaldar la validación de estos enfoques, se ha desarrollado un banco de pruebas experimental, flexible y rentable, para sistemas híbridos de almacenamiento de energía, que permite evaluar en tiempo real las estrategias de gestión energética mediante una configuración de «hardware-in-the-loop». Las metodologías propuestas combinan el modelado de sistemas, herramientas de simulación y algoritmos de control avanzados para la gestión de la energía, lo que permite una evaluación realista y la validación experimental de diferentes configuraciones de almacenamiento. Las herramientas propuestas se aplican a dos escenarios representativos. En aplicaciones de tracción eléctrica, se investigan sistemas híbridos de almacenamiento de energía que combinan baterías y supercondensadores para gestionar los perfiles de potencia altamente dinámicos de los vehículos eléctricos. Se desarrolla y valida experimentalmente una estrategia optimizada de gestión de energía de doble nivel, con la que se logran reducciones significativas en la degradación de las baterías, al tiempo que se mantiene la eficiencia del sistema y el rendimiento dinámico. Además, se explora la integración de baterías de segunda vida en entornos industriales como estrategia de economía circular. Se propone un marco basado en gemelos digitales y un enfoque de gestión energética multiobjetivo para evaluar el funcionamiento combinado de las baterías de segunda vida y la generación fotovoltaica, teniendo en cuenta criterios tanto económicos como medioambientales. En general, este trabajo proporciona plataformas experimentales novedosas, herramientas de modelización y estrategias de gestión energética que facilitan la integración de sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías en diferentes entornos eléctricos, lo que favorece el despliegue de sistemas energéticos más sostenibles y flexibles. DOCTORAT EN ENGINYERIA ELÈCTRICA (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-472674 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698116 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-472674 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698116 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-472674 |
|---|