Litiumjon-batterier har blivit väldigt populära för tillämpning i fordon. Den här teknologin har fler olika kemier att erbjuda som kontinuerligt förbättras. Litium-titanat-oxid-batterier använder (LTO) LTO som anod och erbjuder långt cyklingsliv samt minskar risk för SEI-bildning och litiumplätering.  Det här examensarbetet siktade på att undersöka om LTO-batterier kan användas som startbatterier i kommersiella fordon. Metodologin inkluderade två motorstart försök med en kommersiell 12s1p LTO-modul, laddnings/urladdningtester med en kommersiell LTO-cell med nominell spänning 2.3V samt överurladdningstester med byggda pouchceller. Materialet för pouchceller extraherades från en kommersiell LTO-cell och sedan studerades med SEM-EDX före och efter överurladdningstesterna. Resultatet visade att LTO-batterier kan användas som startbatterier i en diesel V8 motor även vid 39%SoC. Dessutom visade simuleringar att LTO-batterier kan användas inom Kinetic Energy Recovery System (KERS) tillämpning och behålla 60% SoC efter 500 laddning/urladdnings cykler. Resultaten från både KERS och motorstarterna visade att LTO är en lovande kandidat för ersättning av blybatterier. Laddnings/urladdnings tester visade att en kommersiell 12s1p LTO modul kan maximalt uppnå 73%SoC när den laddas med fordon-liknande strömmar. Däremot var SoC oberoende av laddningsström. Överurladdningstester med pouchceller visade att det är relativt ofarligt att urladda LTO 0.4V under spänningsgränsen utan stora ökningar i impedans eller stor kapacitetsförlust. Största förluster kopplades till åldring av NMC-baserade positiva elektroden. / Lithium ion batteries have become quite popular in vehicle applications in the past few decades. This technology offers multiple chemistries to choose from, that are continuously studied and improved. Lithium-titanate-oxide (LTO) batteries use LTO material as an anode, providing long cycling life, as well as essentially eliminating risk for SEI formation and lithium plating.  This Master thesis project aimed to investigate how well LTO-based lithium-ion batteries can perform in Start Ignition Lighting (SLI) application in commercial vehicles. The methodology included two engine crank tests with a commercial 12s1p LTO module, charge/discharge tests on a commercial LTO cell with nominal voltage 2.3V, as well as overdischarge cycling tests on assembled pouch cells. The materials for the pouch cells were extracted from a commercial LTO cell and later analysed with SEM-EDX before and after overdischarge tests. The results demonstrated that LTO-based Li-ion batteries can be successfully start a diesel V8 engine even at 39% SoC. Furthermore, when simulating an urban vehicle with an implemented Kinetic Energy Recovery System (KERS) application, a commercial cell LTO cell achieved and retained around 60\%SoC throughout 500 charge/discharge cycles. Combined results from KERS and engine start tests imply that LTO is a strong candidate for replacing lead-acid in these applications. Charge/discharge tests showed that commercial 12s1p LTO cell can maximum reach around 73%SoC when charged in a vehicle-like way. However, this maximum SoC limit was more or less independent of applied charging current. Furthermore, electrochemical overdischarge tests on the pouch cells demonstrated that it is relatively safe to overdischarge the cell 0.4V below the specified safety limit without significant rise in impedance or capacity fade. Major performance losses were attributed to the aging of the NMC-based positive electrode.

This Master’s thesis work is about the conditions that can affect the identification of defects in lithium-ion batteries. In lithium batteries, there are cathode and anode, which are separated with electrically insulative but ionically conductive electrolytes and separators. The cathode consists of aluminum foil, and the anode consists of copper foil. During the production of the batteries, these foils are being coated with active materials. Unfortunately, some defects such as scratches, misshape, marks, or spots can occur during the coating, and these defects harm the batteries’ performance. To ensure a good performance of the batteries, these defects have to be detected and identified. Today, these defects can be detected with a camera that scans the foils. To detect all the defects, even smaller marks, and dots, a new high-resolution sensor was investigated. The new sensor called Contact Image Sensor that acquires the raw information of the light and converts it into electrical signals was used. In other words, all the objects reflect the light, and the Contact Image Sensor captures the reflected light from the objects. By investigating the light, illumination time, and the contrast of the objects, it is possible to make the defects more visible. Furthermore, this thesis covers the speed of the coated foils passing the sensor. Since the production of the batteries should be time and cost-efficient, the speed can be high, but the sensor should have enough time to scan clear images. In this Master’s thesis work the implications of different sensor resolutions and contrast settings in a roll-to-roll process were studied, considering the speed of the process vs identifying defects (such as scratches and misshapes). It has also been studied if the light conditions, under normal circumstances, have a substantial impact on this trade-off. The result has been promising. Since the sensor has an internal resolution, a limited scanning area, and a scanning frequency, the speed will be limited by a maximum illumination time. But as long as the illumination time is under the maximum, the speed, in this case, does not matter. The maximum illumination time is different for different speeds. Furthermore, the results clearly show that high resolution, maximum allowed illumination time for each speed, and lower speeds, provide the best conditions for finding and identifying defects. However, there comes a price for the illuminated foil. The price is that the bright light can lead to overexposed foil, i.e., the part of the foil without coating will be exposed to too much light. This can create problems if damage to the foil is to be identified. Therefore, a more nuanced light that balances the contrast of the coating part and the foil is recommended. / Det här masterexamensarbetet handlar om förhållanden som påverkar identifieringen av defekter i litiumjonbatterier. Litiumbatterier består av katod och anod som separeras av elektriskt isolerande men joniskt ledande elektrolyt och separatorer. Katoden består av aluminiumfolie och anoden består av kopparfolie. Under tillverkningen av batterierna beläggs dessa folier med aktiva material. Tyvärr uppstår det ibland skador i beläggningen så som repor, missbildning, märke eller fläckar. Dessa defekter försämrar batteriets prestanda. För att säkerställa att batterierna fungerar felfritt måste dessa defekter upptäckas och elimineras. Idag används kamera som skannar folierna för att hitta defekter. För att upptäcka samtliga skador, bland annat mindre märken och fläckar, övervägs en ny högupplöst sensor. En ny sensor, så kallad Contact Image Sensor, som tar in ljuset och omvandlar det till elektriska signaler undersöks. Med andra ord fångar Contact Image Sensor det reflekterade ljuset från objekten. Genom att undersöka ljusets styrka, belysningstiden och kontrast är det möjligt att göra defekterna mer synliga. Vidare omfattar detta examensarbete hastigheten hos de folierna som passerar sensorn. Under en tids- och kostnadseffektiv produktion av batterier kan hastigheter av foljer vara höga, men sensorn måste ha tillräcklig tid och utrymme att skanna tydliga bilder. Påföljden av olika sensorupplösningar och kontrastinställningar i en roll-to-roll-process har därför studerats i detta examensarbete med hänsyn taget till processens hastighet kontra identifieringen av defekter (såsom repor och missbildningar). Det har också studerats om ljusförhållandena har, under normala omständigheter, en väsentlig inverkan på denna avvägning. Resultatet har varit lovande. Med anledning av sensorns interna upplösning, dess begränsade skanningsområdet, samt skanningsfrekvensen, kommer hastigheten att begränsas av en maximal belysningstid. Men så länge belysningstiden är under maximalt kommer hastigheten inte ha någon betydelse. Denna maximala belysningstid är olika för olika hastigheter. Vidare framgår det tydligt i resultatet att hög upplösning, maximal tillåtna belysningstiden för respektive hastighet, och lägre hastigheter, ger bästa förutsättningar för att hitta och identifiera defekter. Dock kommer ett pris för det upplysta beläggningen av foljen. Priset är att det ljusa ljuset kan leda till överexponerade folje, dvs där den delen av foljen som saknar beläggning utsätts för mycket ljus och kan bländas. Detta kan skapa problem om skador på foljen ska identifieras. En mer nyanserad ljus som balanserar kontrasten av beläggningen och foljen kan därför rekommenderas.

Lithium-ion (Li-Ion) batteries are widely used in various applications and are viable for automotive applications. The effective management of Li-Ion batteries in battery electric vehicles (BEV) plays a crucial role in performance and range. One can achieve good performance and range by using efficient battery models in battery management systems (BMS). Hence, these battery models play an essential part in the development process of battery electric vehicles. Physics-based battery models are used for design purposes, control, or to predict battery behaviour, and these require much information about materials and reaction and mass transport properties. Model parameterization, i.e., obtaining model parameters from different experimental sets (by fitting the model to experimental data sets), can be challenging depending on model complexity and the type and quality of experimental data. Based on the idea of parameter sensitivity, certain current/voltage data sets could be chosen that theoretically has a more considerable sensitivity for a given model parameter that is of interest to extract. In this thesis work, different methods for extracting model parameters for a Nickel-Manganese-Cobalt (NMC) battery composite electrode are experimentally tested and compared. Specifically, model parameterization using \emph{optimal experiments} based on performed parameter sensitivity analysis has been benchmarked against a 1C discharge test and low rate pulse tests. The different parameter sets obtained have then been validated on a drive cycle and 2C pulse tests. Comparing the methods show some promising results for the optimal experiment design (OED) method, but consideration regarding the state of charge (SOC) dependencies, the number of parameters has to be further evaluated. / Litiumjonbatterier (Li-jon) används i olika applikationer och är ett bra alternativ förfordonsapplikationer. Den effektiva hanteringen av litiumjonbatterier i elbilar har en viktigroll för fordonens prestanda och räckvidd. Man kan nå bra prestanda och räckviddgenom att använda bra batterimodeller i batteriets övervakningssystem (BMS). Därförspelar dessa batterimodeller en viktig roll i utvecklingen av elbilar. Fysikbaseradebatterimodeller används för design, reglering eller för att prediktera beteendet hos batteriet,vilket kräver mycket information om material samt dess reaktion och andra beskaffenheter.Modellparametrisering, dvs. att införskaffa modellparametrar från olika experiment (genom attanpassa modell till experimentella data) kan vara utmanande beroende på modellkomplexitetoch typen samt kvalitén på experimentell data. Baserat på idén om parametersensitivitet kan data om ström och spänning väljas så att de teoretiskt har mer sensitivitet för engiven modellparameter som är av intresse att extrahera. I detta examensarbete testas ochjämförs olika metoder för att extrahera modellparametrar för en Nickelmangankobolt (NMC)batterielektrod. Mer specifikt, modellparametrisering genom optimala experiment baseradepå genomförd parametersesitivitetsanalys jämförts med 1C urladdningstest och låg nivåpulstest. Jämförande av metoderna visar goda resultat för OED metoden men flera parametrarmåste fortsatt utvärderas gällande laddningstatusberoenden (SOC).

Sweden has a goal of becoming carbon neutral by 2045. To reach this goal electrification of different sectors are one of the most important pathways for becoming fossil free. The power grid in Sweden has historically been seen as stable and with unlimited transmission capacity. However, with increasing power demand of electricity in society the transmission capacity is becoming limited. In short term this can delay development of new district and housing projects. In long term capacity deficit could prevent the opportunity of electrification project replacing fossil fuel for the transport and industry sector. This could have a negative impact on both Sweden’s competitiveness and ability to become carbon neutral. As an industry player with the aim of providing leading solutions for sustainable development, AFRY has an interest in finding solutions enabling a transition to a fossil free energy use. With capacity deficits in the power grid becoming a growing problem for metropolitan areas, AFRY has requested tool that can evaluate technical solutions for solving local power deficits. The aim of this thesis is thus to develop an evaluation tool for comparing technical solutions for solving local power deficit. Based on a literature review identifying suitable technologies; reinforcing local power grids, implementing BESS or combined BESS PV systems to a local power grid are the technical solutions chosen for this study. With the compiled technical key characteristics and component costs fort the technologies the tool is developed in Excel. From testing the tool with different cases, combined BESS PV solution is seen to have the lowest investment cost if the local power deficit is low. If the deficit is high, reinforcing the grid with transformer and substation capacity is the solution whit the lowest investment cost. / Sverige har som mål att inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären till 2045. För att uppnå detta mål är elektrifiering av olika sektorer sett som ett av de viktigaste spåren mot en fossilfri framtid. Elnätet i Sverige har historiskt set varit stabilt och med en näst intill obegränsad överföringskapacitet. Men med ett ökande effektbehov av el i samhället börjar den befintliga överföringskapaciteten bli begränsad och i vissa fall otillräcklig. På kort sikt kan detta försena utvecklingen av nya stads- och bostadsprojekt. På lång sikt kan kapacitetsbrist förhindra möjligheten av elektrifieringsprojekt med syfte att ersätta fossila bränslen inom transport- och industrisektorn. Detta kan påverka Sveriges konkurrenskraft och mål att inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser negativt. Som en aktör med målet att tillhandahålla ledande lösningar för en hållbar framtid har AFRY ett intresse av att finna lösningar som möjliggör en omställning till fossilfri energi. Eftersom kapacitetsbrist i elnätet är ett växande problem i och runt storstadsregioner, har AFRY efterfrågat ett verktyg som kan utvärdera tekniska lösningar för att möta lokal effektbrist. Syftet med denna studie är där med att utveckla ett utvärderingsverktyg som jämföra tekniska lösningar för att möta lokal effektbrist. Genom en litteraturstudie har kunskap om olika tekniska lösningar sammanställts och förstärkning av lokala elnät, implementering av BESS eller kombinerade BESS PVsystem till det lokala elnätet inkluderats som lösningar i denna studie. Tillsammans med de tekniska parametrarna och investeringskostnader för teknikerna utvecklas ett analysverktyg i Excel. Från att ha testat olika fall i verktyget kan den kombinerade BESS PV-lösningen ses ha den lägsta investeringskostnaden om effektbristen är låg. Om effektbristen där emot är hög är utbyggnad av transformator och nätstations kapacitet i det lokala elnätet lösningen med lägst investeringskostnad.

This bachelor’s thesis aims to show an extensive overview of all the parts that build up an electric load driven longboard and see if a load controlled longboard can be seen as a safe, comfortable and convenient alternative to the more common remote controlled longboard. The thesis will also answer how weight can be measured on a longboard in the most effective way, what the most comfortable riding technique is and what a good motor-battery configuration to be able to travel at 30 km/h and 10 km would be. The longboard measures the weight distribution with load cells located between the deck and the trucks. An Arduino translates the input from the load cells to a certain speed and then sends it to an ODrive which controls a BLDC motor that is powered by two LiPo batteries. The results show that a load controlled longboard can very well be seen as a good alternative if right riding technique is used. The best technique is when the longboard accelerates when the rider tilts and keeps a constant speed when the rider stands straight. The best way to measure the weight is to fasten the trucks with hinges which lets the load cells register weight without anything interfering. Not all tests could be done because of Covid-19 but a measured top speed of 15 km/h with a high gear ratio is a promising result for the future when more suitable gear ratios will be tested to try to reach the goal of 30 km/h. / Det här kandidatexamensarbetet strävar efter att visa en omfattande överblick på alla delar som bygger upp en elektrisk lastdriven longboard och se om en laststyrd longboard kan ses som ett säkert, komfortabelt och behändigt alternativ till den vanligare radiostyrda longboarden via handkontroll. Det här arbetet kommer också svara på hur vikt kan mätas på en longboard på ett så effektivt sätt som möjligt, vad som är den mest bekväma åkstilen och vad är en bra motor-batteri konfiguration för att kunna åka i 30 km/h och nå 10 km skulle vara. Longboarden mäter viktfördelningen med lastceller som är placerade mellan brädan och truckarna. En Arduino omvandlar indatan från lastcellerna till en specifik hastighet som den sedan skickar till en ODrive som kontrollerar en borstlös likströmsmotor som i sin tur är driven av två LiPo batterier. Resultaten visar att en laststyrd longboard kan mycket väl ses som ett bra alternativ om rätt åkstil används. Den bästa stilen är att longboarden accelererar när åkaren lutar sig och håller en konstant hastighet när åkaren står rakt. Det bästa sättet att mäta vikt är att montera truckarna på gångjärn som låter lastcellerna mäta vikt utan att något stör. Alla tester kunde inte utföras på grund av Covid-19 men en uppmätt topphastighet på 15 km/h med en hög utväxling är ett lovande resultat för framtiden när lämpligare utväxlingar kommer testas för att försöka nå målet på 30 km/h.

In response to the ever-increasing threat of the negative impacts of climate change, there has been a renewed international focus on the integration of renewable energy to meet their demands. One such project is located at Tezpur University in the state of Assam, India. In this project, a large PV project of 1 MWp capacity was installed in 2018, followed by a 91 kWh Li-ion battery system in 2020. While the system has been installed, an optimal operational algorithm (OA) is needed for the system to operate and meet the needs of the connected load. This thesis will consider several OAs for the battery system. The charging schedule for the system will be optimised based on data for the substation system. First, data from the electrical load and power outages with a time resolution of one minute were considered. Upon analysis of this data, an initial algorithm was proposed and its effectiveness was evaluated based on selected key performance indicators (KPIs). Next, a linear programming approach was used to optimise the battery charging schedule based on electricity cost, PV power production, and electric load. Based on the results of the optimisation, input from the proprietors of the energy management system, and results from the initial algorithm, a second advanced algorithm was created and its effectiveness was again evaluated based on the same KPIs. It was found that the two main goals within this project, initiating appropriate charging times to limit grid power usage while also maintaining sufficient energy reserves whenever a power outage occurs. While diesel usage cannot be completely eliminated, it can be greatly reduced for shorter power outages. Additionally, a high degree of load autonomy can be achieved before the diesel generator becomes necessary to activate. / Som svar på det ständigt ökande hotet om klimatförändringens negativa effekter har det skett en förnyad internationell fokus på integrering av förnybar energi för att tillgodose deras behov. Ett sådant projekt finns på Tezpur University i delstaten Assam i Indien. Under detta projekt installerades ett stort solcellsprojekt med en kapacitet på 1 MWp under 2018, med följt av ett 91 kWh Li-ion-batterisystem under 2020. Medan systemet har installerats behövdes en optimal driftalgoritm för att systemet skulle kunna fungera och uppfylla behoven hos den anslutna lasten. I den här avhandlingen kommer flera driftalgoritmer för batterisystemet att diskuteras. Laddningsschemat för systemet kommer att optimeras utifrån data för understationssystemet. Först beaktades data från den elektriska belastningen med en minutupplösning och frekvensen av strömavbrott. Efter analys av dessa data samt föreslogs en första algoritm och dess effektivitet utvärderades utifrån utvalda nyckelindikatorer för prestanda. Därefter användes en metod för multivariabel linjär programmering för att optimera schemat för batteriladdning baserat på elkostnad, produktion av solcellseffekt och elektrisk belastning. På grundval av resultaten av optimeringen, input från ägarna till energihanteringssystemet och resultaten från den ursprungliga algoritmen skapades en andra avancerad algoritm och dess effektivitet utvärderades återigen utifrån samma nyckelindikatorer. Det visade sig att de två huvudmålen inom detta projekt, att initiera lämpliga laddningstider för att begränsa elanvändningen och samtidigt upprätthålla tillräckliga energireserver när ett strömavbrott inträffar. Dieselanvändningen kan inte helt elimineras, men den kan minskas avsevärt vid kortare strömavbrott. Dessutom kan en hög grad av lastautonomi uppnås innan dieselgeneratorn måste aktiveras.

Battery packs consists of several smaller cells that can drift apart from each other and cause imbalance to the system. These imbalances can be balanced by either dissipating some energy (passive method) or redistributing the excess energy between the cells (active method). In this project they energy efficiency and balancing speed of two active method is investigated and compared to a traditional passive balancing method for 9 cells connected in series. The two active method investigated is the delta structured switched capacitor (DSSC) and chain structure switched inductor (CSSI) method. These methods have the ability to balance any cell with any other cell at any time, which, given the same initial imbalanced cells, results in a much faster balancing speed compared to the passive method.   The energy efficiency and balancing speed was investigated further by examining the energy gained when continuously charging and discharging the cells to model real drive cycles of the cells. This resulted in energy saving corresponding up to 5 Wh more energy per cycle after simulating for about 1900 cycles. This energy gain started however after 1000 cycles due to small imbalance between the cells. The energy gain of the active methods are however not sufficient enough to compensate for their higher component cost when considering the whole life of the cell. However, looking only the second part of the cell’s life, cycled more than 1000 cycles, the energy gain became more clear and the DSSC method start to be more beneficial to use.

An increased amount of intermittent electricity production, more electric vehicles (EV), and an overall electrification of society may all cause a higher variability between the balance of supply and demand on the electric grid. Battery storage has been identified as a solution to the emerging problem asit can be charged during hours of low power demand and then discharged to help meet the power demand during peak loads. This master thesis investigates how characteristics from yearly power demand data can be defined so that a battery energy storage system (BESS) can be dimensioned for it and which parameters are important when dimensioning a BESS. The investment cost of the dimensioned BESS is investigated and calculated, and there is as well a general discussion of potentials, drivers, and barriers for a grid owner to implement a BESS. The master thesis includes a literature study and a case study performed together with Tekniska verken and its subsidiary company Tekniska verken Nät where three cases of varying sizes were investigated:• An EV charging station, with a peak power demand of up to 1 MW.• A distribution station, with an original peak power demand of close to 3 MW.• Purchased power from the regional grid, with a peak power demand of almost 152 MW. By dimensioning a BESS from a year-long data curve of the hourly power demand, a power limit was set. The highest peak power value over the power limit, the longest peak duration, and the highest energy peak were then identified to establish the curve characteristics. A battery storage was investigated to see if it could be used to meet the demand occurring when implementing a power limit to the yearly power demand curve. Batteries store electrical energy in the form of electrochemical energy and then transforms the energy back into electrical energy when needed and does so with varying efficiency according to the type of chemistry that is used in the battery. The so-called lithium ion (li-ion) battery is mostly used today and utilizes lithium in the shape of ions along with a metallic cathode and a carbon anode. The cathode and anode can vary in a li-ion battery chemistry, which varies its characteristics and means that there are multiple types of li-ion battery chemistry types. The specific li-ion battery chemistry lithium iron phosphate (LFP), was established as the most applicable battery due to its high energy density, easy to attain materials, general safety, maturity, and amount of discharge cycles it can handle throughout its lifetime. A BESS could be modelled from the LFP limitations and data curve for each case. The results showed that a short-duration variability of a power demand was a success factor for the implementation of a BESS. It allows the BESS to recharge often and the minimum required energy capacity could be lower and more optimal. An investment cost insecurity was established from literature when comparing estimates, as it could vary depending on the published date, used battery chemistry, taxes, and subsidies in the origin country of the literature. Therefore an estimate given by the Swedish transmission system operator (TSO), Svenska Kraftnät of 5-6 MSEK/MWh from a report published in late 2022 was deemed most relevant. An investment cost for each scenario in every case could be calculated and additional economical benefits relevant in the cases such as comparing to the cost of conventional grid reinforcement or economical gains from a lowered grid subscription were investigated. However, an overall conclusion that the investment cost of a BESS was too expensive to be deemed feasible and that there were no overwhelming economical gains from reducing the peak loads was made. A final generalization and discussion of drivers and barriers concluded that the applicability of a BESS can be identified by the defining characteristics of a demand curve. Moreover, it was found that the BESS investment cost was too high when only applying it for grid reinforcement methods. Although, a BESS can have additional benefits to the grid stability. The grid owner cannot however, own a BESS and use it on the frequency service market which otherwise would potentially make it economically feasible to strengthen the grid. The ultimate goal of the project is to help create a broader understanding of battery storage as part of the electrical network, where and when it can be applicable, and how one could go about investigating its use. / En ökad mängd variabel elproduktion, fler elbilar och en elektrifiering av samhället i helhet. Detta kommer skapa en högre variabilitet och därmed större obalans mellan tillförsel och efterfrågan på elnätet. Batterilagring har identifierats som en potentiell lösning till det ökade problemet då det kan laddas vid ett lågt effektbehov och urladdas vid ett högt effektbehov. Genom detta examensarbete kommer det undersökas hur karaktäristik från årliga effektkurvor kan definieras. Det görs i syfte av att dimensionera ett batterilagringssystem utefter datan. Därefter undersöks även vilka parametrar som är viktiga vid dimensioneringen av ett batterilagringssystem. Utefter de dimensionerade batterilagringssystemen tas även en investeringskostnad fram. En diskussion framförs även utifrån den generella potentialen, drivkrafter och barriärer som finns vid implementering av ett batterilagringssystem från perspektivet av en nätägare. Examensarbete består av en litteraturstudie och en fallstudie som genomförs i samarbete med Tekniska verken i Linköping AB och Tekniska verken Nät, där tre fall av varierande storlek undersöks:• En elbilsladdningstation, med ett toppeffektbehov på upp till 1 MW.• En fördelningsstation, med ett ursprungligt toppeffektbehov på nästan 3 MW.• Köpt effekt från det regionala nätet, där toppeffektbehovet uppgår till nästan 152 MW. Vid dimensionering av ett batterilagringssytem från den årliga effektkurvan måste en effektbegränsning sättas. Därefter kan den överstigande effektopplasten, den längsta tiden effektbegränsningen överstigs och den högsta överstigande energin tas fram, för att etablera kurvans karaktäristik. En undersökning gjordes om ett batterilager kunde användas för att möta effektbehovet då en effektbegränsning införs till den årliga effektkurvan. Batterier lagrar elektrisk energi i formen av elektrokemisk energi för att sedan transformera tillbaka det till elektrisk energi då det finns ett behov. Effektiviteten av transformeringen varierar beroende på den kemiska blandningen som batteriet är uppbyggt av. Det så kallade litiumjonbatteriet är det mest använda idag och nyttjar litium i formen av joner tillsammans med en metallisk katod och en anod av kol. Katod och anod kan variera vilket medför en förändrad karaktäristik och betyder alltså att det finns olika sorters litiumjonbatterier. Den specifika litiumjärnfosfat (LFP) blandningen ansågs mest användbar i elnätsapplikationer. Detta på grund av sin höga energidensitet, lättillgängliga material, generella säkerhet, teknikens mognad och mängden urladdningscyklar den kan hantera. Ett batterilagringssytem kunde då modellerades utefter LFP-batterikemin i kombination med den årliga effektkurvan för varje fall. Resultatet därifrån visade att en korttidsvariabilietet av effektbehovet var en framgångsfaktor vid implementeringen av ett batterilagringssystem. Detta då det tillåter för ett batterilagringsystem att återladdas oftare och en lägre minimal energikapacitet kan dimensioneras vilket gör den mer optimal. Vid undersökning av investeringskostnaden upptäcktes en svaghet i litteraturen vid jämförandet av kostnadsuppskattningar. Uppskattningen kunde variera beroende på publiceringsdatum, val av batterikemi, landets skatter och bidrag. Därav valdes en kostnadsuppskattning från den svenska stamnätsägaren, Svenska Kraftnät på 5–6 MSEK/MWh utifrån en rapport publicerat sent i 2022 som mest relevant. Utifrån kostnadsuppskattningen kunde en beräkning av investeringskostnad och ytterligare ekonomiska gynnsamheter relevanta för varje fall undersökas (såsom en jämförelse mot konventionell nätförstärkning eller sänkt abonnemangskostnad). Den generella slutsatsen som drogs var däremot att investeringskostnaden för ett batterilagringssystem var för dyrt för att vara ekonomiskt genomförbart. Det var dessutom inga betydande ekonomiska gynnsamheter som kunde ändra på det då batterilagringssystemet endast användes till att sänka toppeffektlaster. En avslutande generalisering och diskussion av drivkrafter och barriärer framgav att applicerbarheten av ett batterilagringsystem kunde definieras utifrån den identifierade karaktäristiken av den årliga effektkurvan. Dessutom framkom det att investeringskostnaden i varje fall var för hög då batterilagringssystemet endast nyttjades som nätförstärkning. Hursomhelst kan ett batterilagringssystem bidra till ytterligare fördelar i elnätets stabilitet. Elnätsägaren kan inte äga ett batterilagringssystem och använda det på effektreservmarknaden som annars kunde bidra till batterilagringssystemets ekonomiska genomförbarhet. Det slutliga målet av arbetet har varit att ge en bredare förståelse för batterilagring som en del av elnätet. Detta genom att ta reda på när och var det är applicerbart och hur man kan utvärdera dess användning.

This thesis explores the heat transfer characteristics of a packed bed thermal energy storage device through the development of a 3D model in COMSOL Multiphysics. The model is based on a laboratory-scale device consisting of an aluminum box filled with sand, which acts as the thermal storage medium. The medium is heated using two resistance heaters that are embedded into the sand. The heaters are raised to approximately 500°C during the experiment. Three thermocouples placed in the sand record the temperature during charging, thus generating a time-dependent temperature curve at three points. The model simulates this experimental system, and the resulting temperature distribution is compared to the experimental data to assess the model validity. To determine the temperature throughout the storage system at all times, the model solves the heat equation. The density and heat capacity of the sand are measured and added to the model. The model uses the effective medium technique to estimate the thermal conductivity of the sand. A secondary model is developed in Excel to calculate the effective thermal conductivity using twelve different correlations, and the results are compared. The Zehner-Bauer correlation with an added Damköhler radiation term predicted an effective thermal conductivity of 0.218 W/(m·K) at 25°C and 0.451 W/(m·K) at 500°C, with slightly exponential growth due to the influence of thermal radiation. When these values for conductivity are applied to the COMSOL model, there is strong agreement (average percent error < 5%) with the experimental temperature distributions. A parametric study is performed, and shows that increasing grain size and emissivity could increase the thermal conductivity by making use of the exponential growth of thermal radiation. The model serves as a design and learning tool, and a starting point for improving the performance of the thermal energy storage system. / Detta examensarbete undersöker värmeöverföringsegenskaperna hos en termisk energilagringsenhet med packad bädd genom utveckling av en 3D-modell i COMSOL Multiphysics. Modellen är baserad på en enhet i laboratorieskala som består av en aluminiumlåda fylld med sand, som fungerar som det termiska lagringsmediet. Mediet värms upp med hjälp av två motståndsvärmare som är inbäddade i sanden. Värmeelementen höjs till ca 500°C under experimentet. Tre termoelement placerade i sanden registrerar temperaturen under laddningen och genererar på så sätt en tidsberoende temperaturkurva i tre punkter. Modellen simulerar detta experimentella system, och den resulterande temperaturfördelningen jämförs med experimentella data för att bedöma modellens giltighet. För att bestämma temperaturen i hela lagringssystemet vid alla tidpunkter löser modellen värmeekvationen. Sandens densitet och värmekapacitet mäts och läggs till i modellen. Modellen använder den effektiva mediumtekniken för att uppskatta sandens värmeledningsförmåga. En sekundär modell utvecklas i Excel för att beräkna den effektiva värmeledningsförmågan med hjälp av tolv olika korrelationer, och resultaten jämförs. Zehner-Bauer korrelationen med en tillagd Damköhler strålningsterm förutsade en effektiv värmeledningsförmåga på 0,218 W/(m·K) vid 25°C och 0,451 W/(m·K) vid 500°C, med en något exponentiell tillväxt på grund av påverkan från värmestrålning. När dessa värden för konduktivitet tillämpas på COMSOL-modellen finns det en stark överensstämmelse (genomsnittligt procentuellt fel < 5%) med de experimentella temperaturfördelningarna. En parametrisk studie har utförts som visar att ökad kornstorlek ock emissivitet kan öka värmeledningsförmågan genom att utnyttja den exponentiella tillväxten av värmestrålning. Modellen fungerar som ett design- och inlärningsverktyg och som en utgångspunkt för att förbättra prestandan hos det termiska energilagringssystemet.

The rate of degradation of a lithium-ion battery depends on its use i.e. how it is charged and discharged. Physics-based models are used to represent the processes inside a cell as well as the degradation mechanisms. This thesis aimed to compare how the battery lifetime is affected when charging with different charging protocols using different battery models and degradation mechanisms. The investigated models are the Single Particle Model (SPM), the Single Particle Model with electrolyte (SPMe), and the Doyle-Fuller Newman model (DFN). The degradation mechanisms are solid electrolyte interphase (SEI), and lithium plating (LP). The used charging protocols are constant-current constant voltage(CCCV), positive pulsed current (PPC), and constant current (CC). Pulsed charging was included to investigate if the battery lifetime can be improved as in an experiment by Huang where pulsed charging increased the battery lifetime by 60%. To perform the simulations using the physics-based models, PyBaMM (PythonBattery Mathematical Modeling) was used. The simulations were performed for a lithium cobalt oxide (LCO) cell. Two types of SEI were implemented, solvent-diffusion limited and reaction limited. For the LP only irreversible LP was used.1200 cycles were simulated. Comparing the PPC and CC protocols, there were no significant changes between the degradation mechanisms for the different protocols. The results were the same for all the models, except for the results of the internal resistance. The conclusion is that for the PPC and CC protocols, the cell degrades the same although the PPC protocol used twice the C-rate. The PPC charging did not increase the battery lifetime. For the CCCV and CC protocols, there were some bigger differences between the protocols, but between the different models, there weren’t any significant differences. The CCCV degrades the cell faster for all degradation mechanisms and all models. Simulating one degradation submodel at a time resulted in a very small capacity fade for some submodels. Therefore, for future work, it is suggested to use several degradation submodels at the same time but also to try other degradation mechanisms or try PPC protocols with different frequencies and duty cycles. / Hur snabbt litiumjonbatterier degraderas beror på hur de används, laddas och laddas ur. Fysikbaserde modeller används för att representera processerna inuti cellen och även degraderingsmekanismerna. Denna studie har genomförts för att undersöka hur batteriets livslängd påverkas av olika laddningsprotokoll genom att använda olika batterimodeller och degraderingsmekanismer. Modellerna som användes är Singel-partikelmodellen (SPM), Singel-partikelmodellen med elektrolyt (SPMe) och Doyle-Fuller Newman-modellen (DFN). Degraderingsmekanismerna är fast elektrolytinterfas (SEI) och litiumplätering (LP). Laddningsprotokollen som användes är konstant ström konstant spänning (CCCV), positiv pulserande ström (PPC) och konstant ström konstant (CC). Protokollet för pulsad laddning inkluderades för att undersöka om batteriets livslängd kan förbättras som i ett experiment av Huang, där pulsad laddning ökade batteriets livslängdmed 60%. För att utföra simuleringar med fysikbaserade modeller användes PyBaMM(Pyhton Battery Mathematical Modeling). Simuleringarna utfördes för en lithiumkobaltoxid-cell (LCO). Två typer av SEI implementerades, lösningsmedelsdiffusion-begränsad och reaktions-begränsad SEI. För LP användes endast irreversibel LP.1200 cykler simulerades. Jämförande PPC- och CC-protokollen fanns det inga signifikanta förändringar mellan degraderingsmekanismerna för de olika protokollen. Resultaten vardesamma för alla modellerna, förutom resultaten av den interna resistansen. Slutsatsen är att för både PPC- och CC-protokollen så degraderades cellen på samma sätt, trots att PPC-protokollet använde dubbelt så hög C-faktor. PPC-protokollet ökade inte batteriets livslängd. För CCCV- och CC-protokollen fanns det några större skillnader mellan protokollen, men mellan de olika modellerna fanns det inga signifikanta skillnader. CCCV-protokollet försämrade cellen snabbare för alla degraderingsmekanismer och alla modeller. Att simulera en degraderingsmodell i taget resulterade i mycket små kapacitetsförluster. Därmed föreslås det att i framtida arbete använda flera degraderingsmodeller samtidigt men även testa andra degraderingsmekanismer eller PPC-protokoll med olika frekvenser och arbetscykler