A Hybrid Storage Systems for All Electric Aircraft

A hybrid energy storage system specifically designed for a fully electric aircraft is presented in the paper. The analysis of the time evolution of the power demand of the electric propulsion system during a test mission of Maxwell X-57, an all-electric aircraft developed by NASA, has pointed out the presence of significant peak power during take-off and air tack. Considered the issues related to weight and the volume of the energy storage systems (ESSs) in all-electric aircraft, a hybridization of aircraft ESS with a Supercapacitors (SCs) bank, devoted to smooth peak power demand, has been investigated. A comparison between the simulation results of an electrochemical battery and hybrid ESSs, designed on the test mission of Maxwell X-57 power demand, has been developed. The advantage of hybrid configuration with respect to battery-based one in term of volume and weight reduction is finally presented

Diseño y construcción integral de un banco de supercapacitores: del modelado a la estimación del estado de carga

En este trabajo, enmarcado en la línea de investigación de módulos de almacenamiento de energía no convencionales (MANC), se presenta el diseño y la construcción de un banco de supercapacitores (SC), junto con un diseño preliminar de un sistema de observación para el estado de carga (SOC por sus siglas en inglés) utilizando un diferenciador por modo deslizante acoplado con un estimador paramétrico. Hoy en día, numerosos estudios han demostrado la limitación práctica que poseen las energías renovables en cuanto al almacenamiento de energía. Esto último resalta la importancia de los MANC, en un marco de creciente utilización de sistemas híbridos tanto a pequeña como a gran escala, sobre todo debido a su capacidad de manejar grandes niveles de potencia. En particular, la versatilidad de los SC y baterías de Ión-Litio para poder funcionar como módulos de almacenamiento o buffers en un mismo sistema híbrido y su excelente performance en términos de eficiencia, vida útil y densidad de potencia, los convierte en elementos de sumo interés para la comunidad científico-tecnológica en el desarrollo de vehículos eléctricos y sistemas híbridos de energía renovables. Actualmente, los SC son un foco de interés principalmente debido a su gran densidad de potencia, aunque como principal desventaja puede señalarse que estos dispositivos no poseen grandes niveles de densidad de energía y suele ser necesario utilizar los SC junto con otras fuentes de almacenamiento, como baterías de Ión-Litio, o esquemas de almacenamiento basados en hidrógeno [4]. Mas aún, para poder emplear SC en un sistema híbrido es necesario un agrupamiento en serie o serie-paralelo de SC. Estos arreglos son conocidos como ‘Banco de SC’ o ‘Pila de SC’. Para conservar la vida útil de los SC de un banco, es necesario incorporar un sistema de balanceo, que se encargue de mantener igualadas las tensiones de cada SC, asegurando que el banco se mantenga balanceado independientemente de la variabilidad de los parámetros internos de cada dispositivo. También adquiere gran relevancia incorporar técnicas de observación y estimación para el banco de SC, con el objetivo de extraer información de los parámetros internos del mismo, y así mejorar la eficiencia de operación del banco, y del sistema híbrido donde se lo utilice. Emplear técnicas de observación y estimación permite conocer el SOC y predecir la vida útil del banco a través del estado de salud (SOH), obtenidos indirectamente mediante la estimación de las capacidades y resistencias de pérdidas a partir de modelos eléctricos equivalentes. Consecuentemente, adquieren gran relevancia el modelado y la identificación del banco de SC, para lograr una adecuada regulación y control al integrarlo en sistemas de mayor energía. Por último, para resguardar la seguridad del usuario/a, se incorporan módulos externos de monitoreo y protección, los cuales poseen la finalidad de supervisar las variables eléctricas del banco (tensión, corriente y temperatura) con el objetivo de desconectar al banco de su alimentación o descargarlo, según sea pertinente preservando simultáneamente la integridad del mismo.Sección: Electrotecnia.Facultad de Ingenierí

Diseño y construcción integral de un banco de supercapacitores: del modelado a la estimación del estado de carga

En este trabajo, enmarcado en la línea de investigación de módulos de almacenamiento de energía no convencionales (MANC), se presenta el diseño y la construcción de un banco de supercapacitores (SC), junto con un diseño preliminar de un sistema de observación para el estado de carga (SOC por sus siglas en inglés) utilizando un diferenciador por modo deslizante acoplado con un estimador paramétrico. Hoy en día, numerosos estudios han demostrado la limitación práctica que poseen las energías renovables en cuanto al almacenamiento de energía. Esto último resalta la importancia de los MANC, en un marco de creciente utilización de sistemas híbridos tanto a pequeña como a gran escala, sobre todo debido a su capacidad de manejar grandes niveles de potencia. En particular, la versatilidad de los SC y baterías de Ión-Litio para poder funcionar como módulos de almacenamiento o buffers en un mismo sistema híbrido y su excelente performance en términos de eficiencia, vida útil y densidad de potencia, los convierte en elementos de sumo interés para la comunidad científico-tecnológica en el desarrollo de vehículos eléctricos y sistemas híbridos de energía renovables. Actualmente, los SC son un foco de interés principalmente debido a su gran densidad de potencia, aunque como principal desventaja puede señalarse que estos dispositivos no poseen grandes niveles de densidad de energía y suele ser necesario utilizar los SC junto con otras fuentes de almacenamiento, como baterías de Ión-Litio, o esquemas de almacenamiento basados en hidrógeno [4]. Mas aún, para poder emplear SC en un sistema híbrido es necesario un agrupamiento en serie o serie-paralelo de SC. Estos arreglos son conocidos como ‘Banco de SC’ o ‘Pila de SC’. Para conservar la vida útil de los SC de un banco, es necesario incorporar un sistema de balanceo, que se encargue de mantener igualadas las tensiones de cada SC, asegurando que el banco se mantenga balanceado independientemente de la variabilidad de los parámetros internos de cada dispositivo. También adquiere gran relevancia incorporar técnicas de observación y estimación para el banco de SC, con el objetivo de extraer información de los parámetros internos del mismo, y así mejorar la eficiencia de operación del banco, y del sistema híbrido donde se lo utilice. Emplear técnicas de observación y estimación permite conocer el SOC y predecir la vida útil del banco a través del estado de salud (SOH), obtenidos indirectamente mediante la estimación de las capacidades y resistencias de pérdidas a partir de modelos eléctricos equivalentes. Consecuentemente, adquieren gran relevancia el modelado y la identificación del banco de SC, para lograr una adecuada regulación y control al integrarlo en sistemas de mayor energía. Por último, para resguardar la seguridad del usuario/a, se incorporan módulos externos de monitoreo y protección, los cuales poseen la finalidad de supervisar las variables eléctricas del banco (tensión, corriente y temperatura) con el objetivo de desconectar al banco de su alimentación o descargarlo, según sea pertinente preservando simultáneamente la integridad del mismo.Sección: Electrotecnia.Facultad de Ingenierí

Carbon and Boron Nitride Nanotube Fabricated Supercapacitors

The fabrication of supercapacitor devices consisting of boron nitride nanotubes (BNNTs) and carbon nanotubes (CNTs) has great theoretical capabilities of high specific capacitance, energy density, and power density. Various methods of dispersion and deposition are utilized to optimize such supercapacitors with BNNTs and CNTs, and also to produce devices with only CNTs to use as a benchmark. In addition to capacitance measurements, BNNTs that were exposed to nitric acid were compared to fabricated devices without acid exposure. Dispersion has been accomplished through the trial of many solvents and surfactants for both CNTs and BNNTs. Deposition techniques that are utilized rely heavily on vacuum filtration and spray deposition techniques. The resultants of fabrication have been tested with capacitance voltage measurements and transmission electron microscopic images are used to analyze solutions. The highest specific capacitance was found in a fabricated device without including BNNTs, as a device fabricated from CNTs as the electrode, a polymer electrolyte, a dielectric separator of nafion, and foil contacts, had a specific capacitance of 0.51 mF/g. This device also had 0.13 Wh/kg for energy density, and 3.02 kW/kg for power density. However, despite this measurement of highest specific capacitance achieved without using BNNTs, a device made of only CNTs, BNNTs, foil contacts, and electrolyte, had the highest energy density of 0.15 Wh/kg and power density of 4.29 kW/kg. This device also had one of the highest measured specific capacitances of 0.27 mF/g. The CNTs and BNNTs were chosen to be used together because of costs and availability and their ideal structures for use as an electrode and a separator, respectively. Both materials have lattice structures that can be rolled into tubes to create bonds and also strengthen the material between walls. The porous structures also allow an electrolyte to seep into the pores to promote charge separation. Carbon is an ideal electrode and boron nitride has high dielectric properties suited for a capacitor separator. The devices showed consistent capacitance characteristics with higher power density than energy density. The techniques used for fabrication, measurement, and further optimization are mentioned throughout this paper. Cleaning BNNTs in nitric acid proved to promote better physical and electrical properties for the resultant solutions and devices

Observability of a 2-branch Double-Layer-Capacitor

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Unified model of lithium-ion battery and electrochemical storage system

Nowadays, energy storage systems are of paramount importance in sectors such as renewable energy production and sustainable mobility because of the energy crisis and climate change issues. Although there are various types of energy storage systems, electrochemical devices such as electric double layer capacitors (EDLCs), lithium-ion capacitors (LiCs), and lithium-ion batteries (LiBs) are the most common because of their high efficiency and flexibility. In particular, LiBs are broadly employed in many applications and preferred in the mobility sector, where there is a need for high energy and high power. To ensure good operating conditions for a battery and limit its degradation, it is important to have a precise model of the device. The literature contains numerous equivalent circuit models capable of predicting the electrical behavior of an LiB in the time or frequency domain. In most of them, the battery impedance is in series with a voltage source modeling the open circuit voltage of the battery for simulation in the time domain. This study demonstrated that an extension of a model composed exclusively of passive elements from the literature for EDLCs and LiCs would also be suitable for LiBs, resulting in a unified model for these types of electrochemical storage systems. This model uses the finite space Warburg impedance, which, in addition to the diffusion process of lithium\lithium ions in the electrodes\electrolyte, makes it possible to consider the main capacitance of the battery. Finally, experimental tests were performed to validate the proposed model

Modeling and model validation of supercapacitors for real-time simulations

Supercapacitors are becoming very important in the automotive and energy and power industry due to their specially characteristics, in particular in the field of hybrid vehicles and hybrid energy storage systems. For this reason, having accurate models that can represent the behavior of such systems is necessary and the main important characteristics of supercapacitor are a high-power density and a long lifetime with low maintenance. This thesis focuses on modeling supercapacitors to the study of their behavior in a short time period. As, their operation often short intense power deliveries. The goal of this thesis is to compare the accuracy of equivalent-circuit models of supercapacitors together with their required execution time for real-time simulations. In the first chapter, the operation of the supercapacitor from the molecular point of view and the principal of storing energy in a supercapacitor is introduced. Common operation modes of supercapacitors are also introduced. Next, equivalent-circuit models of supercapacitors are introduced. The models are implemented in MATLAB/Simulink and their responses are compared with the experimental results. The parameter estimation results. The parameter estimation tool of MATLAB has been used to estimate the model parameters for each model. At the end, the models are compared in terms of inaccurately reproducing the experimental response of a supercapacitor. Lastly, the models are compared in terms of their required execution time for real-time simulations. The models are implemented in RT-LAB software and simulated on the Opal-RT’s OP4510 real-time simulator. Here the execution times of the models compared with the goal of representing a large number of supercapacitor cells

New Full-Frequency-Range Supercapacitor Model With Easy Identification Procedure

Energy storage has become a key issue for achieving goals connected with increasing the efficiency of both producers and users. In particular, supercapacitors currently seem to be interesting devices for many applications because they can supply high power for a significant amount of time and can be recharged more quickly than electrochemical batteries. In different applications, a combination of the two devices, batteries and supercapacitors, could be used to develop a high-efficiency storage system with a high dynamic performance. Because of the diffusion of supercapacitors, a good model is needed to represent their behavior in different applications. Some models have been proposed that characterize supercapacitors working at either low or high frequencies. In this paper, the authors present a full-frequency-range model that can be used to represent all of the phenomena that involve supercapacitors. Moreover, to realize a simple and useful tool, the authors present a simple procedure to identify the parameters of the model that can be used to characterize a supercapacitor before use