Circuit Synthesis of Electrochemical Supercapacitor Models

This paper is concerned with the synthesis of RC electrical circuits from physics-based supercapacitor models describing conservation and diffusion relationships. The proposed synthesis procedure uses model discretisation, linearisation, balanced model order reduction and passive network synthesis to form the circuits. Circuits with different topologies are synthesized from several physical models. This work will give greater understanding to the physical interpretation of electrical circuits and will enable the development of more generalised circuits, since the synthesized impedance functions are generated by considering the physics, not from experimental fitting which may ignore certain dynamics

Electrochemical impedance analysis of a PEDOT : PSS-based textile energy storage device

A textile-based energy storage device with electroactive PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonate)) polymer functioning as a solid-state polyelectrolyte has been developed. The device was fabricated on textile fabric with two plies of stainless-steel electroconductive yarn as the electrodes. In this study, cyclic voltammetry and electrochemical impedance analysis were used to investigate ionic and electronic activities in the bulk of PEDOT:PSS and at its interfaces with stainless steel yarn electrodes. The complex behavior of ionic and electronic origins was observed in the interfacial region between the conductive polymer and the electrodes. The migration and diffusion of the ions involved were confirmed by the presence of the Warburg element with a phase shift of 45° (n = 0.5). Two different equivalent circuit models were found by simulating the model with the experimental results: (QR)(QR)(QR) for uncharged and (QR)(QR)(Q(RW)) for charged samples. The analyses also showed that the further the distance between electrodes, the lower the capacitance of the cell. The distribution of polymer on the cell surface also played important role to change the capacitance of the device. The results of this work may lead to a better understanding of the mechanism and how to improve the performance of the device

Analysis of nickel-copper metallic foam supercapacitor for electric vehicles with hybrid battery-supercapacitor energy storage system

Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Eletrotécnica - Ramo de EnergiaFor centuries, the indicators of CO2 had never been so higher than past half century indicators, accounting for an increase rate of 1,5 ppm/year. This is the direct reflect of global warming, a problem that has motivated researchers on developing adequate alternatives for a variety of human needs, which is the case of transitioning from fossil fuels to renewable electrical powering sources, such as Electric Vehicles trending. This dissertation concerns one of the most delicate aspect about electric vehicles (EVs) design, the Energy Storage System, which regarding autonomy, is the key to overcome the current transportation electric energy sources limitations. Among the numerous known devices, Batteries and Supercapacitors are the main technologies in which electric vehicles energy storage relies on. However, batteries because of their chemical nature can be environmentally harmful when considering disposal aspects, concern which has motivated the energetic development and improvement of greener technologies, such as supercapacitos. This dissertation presents a proposition for the development procedure of a positive electrode nickel-copper hybrid supercapacitor theoretical cell, which was simulated, and the resulting data analyzed and discussed. Therefore, the hybridization of both technologies was subjected to computational simulations in order to test the hypothesis that a direct parallel connection between both technologies could interact collaborating to extend battery’s lifespan, hence, reducing its environmental impact. The simulations have shown that such interaction results in reduced current demand, causing the state of charge wave period to increase, thus, extending the lifespan of batteries.Durante séculos, os indicadores de CO2 nunca estiveram tão elevado quanto no último meio século, o que representa uma aumento de 1,5 ppm/ano. Este dado é reflexo direto dos efeitos do aquecimento global, problema o qual tem motivado pesquisadores no intuito de desenvolver novas e mais adequadas alternativas para nossas mais diversas necessidades, à exemplo disto a transição do consumo de combustíveis fósseis para fontes renováveis de energia elétrica, impactando diretamente nos veículos elétricos. Este trabalho refere-se à um dos aspectos maior peso no projeto de veículos elétricos (VEs), o Sistema de Armazenamento de Energia, o qual em termos de autonomia é crucial para superar as atuais limitações das fontes de energia elétrica para apicações móveis. Entre os inúmeros dispositivos conhecidos, baterias e supercapacitores são as principais tecnologias nas quais o armazenamento de energia de veículos elétricos é hoje dependente, sendo implementado por diversos fabricantes em uma grande variedade de categorias veículares. Entretanto, devido à composição das baterias eletroquímicas, estes dispositivos acabam por se tornarem ambientalmente prejudiciais consoante ao processo de descarte e reciclagem de seus componentes uma vez que compostos químicos possuem processos normalizados e controlados para o descarte. Sendo assim, esta dentre outras questões tem motivado pesquisadores a desenvolverem novos materiais com uma viés ecologicamnte correta assim como o esforço no desenvolvimento de outras tecnologias de armazenamento de enrgias, atuais ou novas, com base nos mesmos princípios já citados. Dentre as tecnologias pesquisadas encontram-se os supercondensadores, os quais devido à diferenciação para com as baterias consoante à tecnologia de armazenamento, não deixam resíduos químicos como consequência de seu descarte, sendo assim considerados dispositivos ecologicamente corretos. Com o intuito de paralelamente estudar e desenvolver um procedimento para a modelização de células de supercapacitores a partir de materiais ensaiados laboratorialmentes com o intuito da utilização como eletrodos de tais dispositivos, as espumas metálicas de níquel-cobre [Eugénio13] foram escolhidas para tal processo, as quais apresentam elevada área de superfície específica para as reações eletroquímicas ocorrerem, fator o qual é conhecidamente motivo de influência nos valores de capacitância obtidos. Devido a proposta original do material estudado ser relacionada ao uso como eletrodo positivo, o processo desenvolvido deu origem a um supercondensador do tipo híbrido, o qual contou com um eletrodo negativo de carbono ativado complementar ao de níquel-cobre. Tal dispositivo mostrou-se capaz de apresentar capacitâncias superiores (454F) quando comparados ao dispositivo base de projeto, Maxwell 2.3V 300F. Entretanto, devido ao potencial eletroquímico inferior do Ni-Cu, o dispositivo híbrido apresentou uma tensão nominal reduzida de 2V quando em comparação ao dispositivo base. Para a implementação dos dados gerados em um bloco padrão do software Matlab Simulink, foi seguido o procedimento descrito por [Zubieta00] sendo que devido a falta de informações, complementarmente foi desenvolvido um procedimento de otimização não linear através do software Microsoft Excel via plugin Solver para a obtanção de tais dados. Esta etapa mostrou-se efetiva uma vez que os dados resultantes mostraram-se correspondentes ao esperado com base em [Zubieta00]. A partir disso, o perfil de corrente imposto ao sistema, conforme apresentado em [Omar09], foi validado através de uma segunda simulação computacional, também via Matlab Simulink, na qual a mesma configuração de elementos de armazenamento de energia, baterias e supercapacitores, foi implementada e submetidos ao perfil de carga mencionado. Esta simulação resultou em dados os quais validaram o apresentado em [Omar09] através da comparação dos perfis de correntes resultantes do banco de baterias e módulo de supercondensadores. Como a vida útil das baterias é determinada pelo consumo de cíclos face ao número máximo determinado em ficha técnica, os quais são computados pelo conjunto dos eventos de carga de descarga (ciclo) do dispositivo, uma terceira simulação foi desenvolvida, esta com o intuito de controlar a imposição de corrente e geração de ciclos completos e uniformes. Tal simulação demonstrou uma redução no na corrente demandada e número de ciclos completados pela bateria em módulo híbrido quando comparada ao mesmo procedimento em modo solo, sendo que esta redução é caracterizada por períodos mais longos entre picos, sendo assim uma extensão teórica da vida útil do dispositivo de aproximadamente 36 minutos (2%). Com o intuito de utilizar a empilhadeira elétrica Carer R45NCF [Omar09] um modelo tridimensional foi desenvolvido através do software AutoCAD 2014 com o intuito de identificar dois parâmeteros necessários, área frontal do veículo e localização do centro de gravidade. A partir dos dados obtidos uma simulação do veículo elétrico (empilhadeira) foi desenvolvida, apresentando como sistema de armazenamento de energia as mesmas configurações já citadas. Nesta simulação o perfil de carga foi convertido de corrente para velocidade angular através das equações das dinamicas de movimento para veículos. Para além disso, neste modelo foram aplicados ambos os supercapacitores, Maxwell 2.3V 300F e supercapacitor híbrido de Ni-Cu/AC. Os resultados obtidos para o dispositivo da Maxwell foram concordantes aos obtidos nas simulações anteriores, sendo que também foi observada a redução nas correntes de descarga das baterias submetidas aos sistemas solo e híbrido. Já para o supercondensador híbrido de Ni-Cu/AC, notou-se um lijeiro aumento na contribuição fornecida para com a bateria, resultado esperado face a diferença de capacitância, consequentemente também de carga, quando comparado ao supercapacitor Maxwell 2.3V 300F. O dispositivo contribuiu para a redução da demanda do sistema para com a bateria fornecendo maior corrente nos momentos de picos de descargas quando comparado ao dispositivo base.N/

A review of fractional-order techniques applied to lithium-ion batteries, lead-acid batteries, and supercapacitors

Electrochemical energy storage systems play an important role in diverse applications, such as electrified transportation and integration of renewable energy with the electrical grid. To facilitate model-based management for extracting full system potentials, proper mathematical models are imperative. Due to extra degrees of freedom brought by differentiation derivatives, fractional-order models may be able to better describe the dynamic behaviors of electrochemical systems. This paper provides a critical overview of fractional-order techniques for managing lithium-ion batteries, lead-acid batteries, and supercapacitors. Starting with the basic concepts and technical tools from fractional-order calculus, the modeling principles for these energy systems are presented by identifying disperse dynamic processes and using electrochemical impedance spectroscopy. Available battery/supercapacitor models are comprehensively reviewed, and the advantages of fractional types are discussed. Two case studies demonstrate the accuracy and computational efficiency of fractional-order models. These models offer 15–30% higher accuracy than their integer-order analogues, but have reasonable complexity. Consequently, fractional-order models can be good candidates for the development of advanced b attery/supercapacitor management systems. Finally, the main technical challenges facing electrochemical energy storage system modeling, state estimation, and control in the fractional-order domain, as well as future research directions, are highlighted

Various analytical models for supercapacitors: a mathematical study

Supercapacitors (SCs) are used extensively in high-power potential energy applications like renewable energy systems, electric vehicles, power electronics, and many other industrial applications. This is due to SCs containing high-power density and the ability to respond spontaneously with fast charging and discharging demands. Advancements in material and fabrication techniques have induced a scope for research to improve the application of SCs. Many researchers have studied various SC properties and their effects on energy storage and management performance. In this paper, various fractional calculus-based SC models are summarized, with emphasis on analytical studies from derived classical SC models. Study prevails such parameterized resistor- capacitor networks have simplified the representation of electrical behavior of SCs to deal with the complicated internal structure. Fractional calculus has been used to develop SC models with the aim of understanding their complicated structure. Finally, the properties of different SC models utilized by various researchers to understand the behavior of SCs are listed using an equivalent circuit