Power and Energy Quality Optimization of a Battery Validation Facility : A case study of mapping the power profile of a battery cell testing facility

• Main Author: Wahlund, Joakim
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2020
• Subjects: Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-276943

With Northvolt’s aggressive plan to establishEurope’s largest battery factory in northern Sweden, the needto build a pilot plant to demonstrate the possibilities of thecompany was needed. Quality, performance and cycle-life arekey factors customers value particularly high when purchasingbatteries, thus, a need for validating these parameters emerges.Performance and life-cycle tests are performed in high powerconsuming cycling units divided into the major components -chamber and cycler. The cycler is programmed according tospecific charge and discharge patterns (flows).A validation facility has been established close to NorthvoltLabs in V¨aster°as, housing cycling units for different cell formfactors. The major scope of this thesis was to find an optimalway to effectively and energy conscientious conduct operationsin the facility. One part included testing the possibility tore-utilize energy from discharging cells in simultaneouslycharging cells as well as testing if the equipment can provideenough energy to sell back to the electricity distributor.Additionally, an analysis to see if advanced planning can beused to balance the load profile of the validation facility andreduce energy costs was researched. A second part was todetermine if the equipment imposed harmonics on theconnected grid, and to decide if a filter is needed forPQ-compensation/harmonic filtering. Estimating the powerdemand of validation facility was needed to provide the gridowner an energy forecast. Firstly, to be able to analyze thesequestions, the power profile of the cycling units had to beestablished through measurements performed by installingpower quality devices. It was determined that the chambersconsumption was considerably higher than previously assumedand was in fact higher than the average charge-, anddischarge-flow performed by the cyclers. A power profile wasestablished for each type of cycling unit which was utilized in aMonte Carlo model to predict the power need of the facilitybased on new equipment arriving over the next couple of years.A basic energy cost return-of-investment-calculation concludedthat installing an high energy battery energy system was noteconomically feasible due to prevalent circumstances. === När Northvolt kom till beslutet att etablera Europas strösta batterifabrik i Sverige, var det uppenbart att projektet behövdes genomföras i mindre skala först, för att demonstrera vad företaget kan åstadkomma. Kvalitetvariabler så som prestanda och cykellivslängd är nyckelparametrar som står högt i anseende hos slutkunderna vid batteriköp. Detta bidrog till beslutet att upprätta en provanläggning för att möjliggöra tester av just dessa parametrar. Kontrollen görs i energikrävande utrustning kallade cycling-enheter som delas upp i huvudkomponenterna cycler, kammare och transformator. Cyclern programmeras utefter uppoch urladdningsflöden för att kunna bestämma cellernas prestanda och livslängd.Provanläggningen som upprättades i nära ansluting till Northvolt Labs i Västerås, har ett stort antal av dennautrustning för att kunna genomföra tester på battericeller avolika storlek och format. Det huvudsakliga målet med dennauppsats var att hitta det mest energisnåla sättet att utföra den dagliga verksamheten i anläggningen. En av delarna inkluderade att undersöka möjligheten att återanvända energifrån celler som laddas ur, för att i real-tid återinföra denenergin i celler som laddas upp. Vidare undersöktes det hur mycket energi som kan säljas tillbaka till nätet under urladdningsoperationer.Fortsättningsvis så genomfördes en analys för att se omavancerad testplanering kan utnyttjas för att balancera byggnadens elektriska lastprofil och reducera elkostnaden. Enandra del var att bestämma om testutrustningen återinfördeharmoniska signaler på elnätet och i så fall om filtrering krävs för att få elkvaliten till tillåtna nivåer. Estimering av det totala effektbehovet efter framtida expansion av testanläggningen var ett ytterligare syfte med detta projekt. För att göra dessa analyser krävdes en tydlig energiprofil av utrustningen som erhölls genom olika prestandatester efter installation av mätinstrument för elkvalitet. Analyserna resulterade i attenergikonsumptionen hos kammrarna var avsevärt högre änvad som antogs vid projektets början. Faktum var attenergikonsumptionen var så mycket högre att det överskredkonsumptionen hos cycler-enheterna under de vanligaste testerna. En effektprofil skapades för varje typ av testutrustning i anlägngingen. Med hjälp av Monte Carlo-metoder skapades en modell med syftet att förutstpåframtida energibehov, baserat på energiprofilen. En enkelkostnadsberäkning gjordes angående installationen av etten kunde dras att det inte var skt försvarbart under rådande omständigheter.