Dynamic analysis and simulation of lithium-ion battery energy systems

Abstract

The decarbonisation of energy systems and the electrification of transport are central components of the global response to climate change. Lithium-ion batteries, due to their high energy density, efficiency, and rapid response characteristics, have become a cornerstone technology across electric mobility, buildings, and power systems. As deployment expands, there is an increasing need for accurate, scalable, and transparent modelling tools capable of capturing battery behaviour under realistic and dynamically varying operating conditions. This dissertation addresses that need through the development and validation of LIBSystems, a flexible multi-domain modelling framework for simulating lithium-ion battery systems across multiple application scales. LIBSystems is a modular library developed in Modelica, designed to support physically interpretable, equation-based modelling of lithium-ion batteries from the single-cell level to full energy systems. It includes equivalent-circuit cell models, pack-level aggregation, electro-thermal coupling, and a semi-empirical ageing formulation. The library also incorporates auxiliary components such as vehicle powertrains, bidirectional chargers, and grid-connected inverters, enabling seamless integration of batteries within broader energy systems. The design prioritises transparency, adaptability, and interoperability, avoiding black-box structures and supporting connectivity with external tools through FMI and API interfaces. The library is complemented by a wide collection of open parameter datasets covering commercial lithium-ion chemistries and capacities, ensuring representativeness and reproducibility. The dissertation begins by establishing the policy, technological, and market context that has driven rapid lithium-ion adoption. A concise theoretical background follows, covering electrochemical fundamentals, cell-level quantities, and degradation mechanisms. This is complemented by a review of modelling approaches, including physics-based electrochemical models, equivalent-circuit representations, and data-driven techniques. The trade-offs between model fidelity, computational tractability, and scalability highlight the need for a unified, modular, physics-consistent modelling environment capable of serving both detailed analysis and system-level applications. A rigorous verification and validation workflow was implemented to assess LIBSystems across multiple time and spatial scales. At the cell level, short-term transient accuracy and long-term consistency were evaluated under standard driving cycles (US06, FTP-75) using both experimental data and PyBaMM physics-based references. Hybrid Pulse Power Characterisation tests further validated voltage response fidelity. At the pack level, aggregation behaviour and scalability were verified against liionpack-generated multi-cell voltage profiles. The ageing module was calibrated using a dataset of 228 cells, capturing both calendar and cycling degradation, enabling predictive simulation of long-term capacity fade. At the system level, a complete electric vehicle model reproduced voltage, power, and state-of-charge trajectories of a validated MATLAB Simscape benchmark, confirming consistency from component to full-system scale. The modelling framework was subsequently deployed in four applications. In a residential PV–ORC–battery microgrid, replacing the lead-acid unit with a lithium-ion system increased PV utilisation by 4.5% and raised the ratio of injected to nominal energy capacity by 10% due to deeper cycling capability. In the study of solar-powered electric vehicles, annual grid energy consumption per 100 km in Berlin decreased by 29% with rooftop-mounted PV and by 45% when charging through a residential PV-battery system; in Los Angeles, the reductions were 44% and 74% respectively. Daily solar-driving range increased on average by 13.2 km in Berlin and 19.7 km in Los Angeles, demonstrating strong localisation effects driven by solar resource availability. In distribution grids equipped with vehicle-to-grid chargers, dynamic simulations using historical load data confirmed the technical feasibility of the examined V2G topology and scheduling, showing that coordinated charging and discharging can be achieved without compromising grid stability. In the Terceira Island power system, a 10.5 MW / 15 MWh lithium-ion BESS increased the frequency nadir by 14% under 60% RES penetration and by 17% under 80% RES penetration, while recovery time in the 60% RES scenario decreased from 13 s to 10 s, highlighting the contribution of fast-response storage in low-inertia islanded conditions. Overall, the dissertation demonstrates that LIBSystems constitutes a robust and transparent ecosystem linking lithium-ion cell operation with large-scale energy-system simulation. The framework brings together modular battery modelling, multi-scale validation and system-level deployment. It provides a foundation for future extensions involving physics-based ageing mechanisms, advanced thermal and power electronics submodels, hardware-in-the-loop implementations and advanced control strategies, supporting the design and optimisation of battery energy systems.

Η μείωση της εξάρτησης ενεργειακών συστημάτων από τα ορυκτά καύσιμα και ο εξηλεκτρισμός των μεταφορών αποτελούν κεντρικά στοιχεία της παγκόσμιας προσπάθειας αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου, λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της απόδοσης και της ταχείας δυναμικής απόκρισης, έχουν εξελιχθεί σε τεχνολογία-κλειδί για την ηλεκτροκίνηση, τα κτήρια και τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Με την αύξηση της διείσδυσής τους, εντείνεται η ανάγκη για ακριβή, επεκτάσιμα και διαφανή εργαλεία μοντελοποίησης, ικανά να αναπαραστήσουν τη συμπεριφορά τους υπό ρεαλιστικές και δυναμικά μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας. Η παρούσα διατριβή ανταποκρίνεται σε αυτή την ανάγκη, μέσω της ανάπτυξης και επαλήθευσης του LIBSystems, ενός ευέλικτου, πολυτομεακού πλαισίου μοντελοποίησης για τη δυναμική προσομοίωση συστημάτων συσσωρευτών ιόντων λιθίου σε πολλαπλές κλίμακες εφαρμογής. Η LIBSystems αποτελεί μια αρθρωτή βιβλιοθήκη αναπτυγμένη σε γλώσσα Modelica, σχεδιασμένη για μοντελοποίηση συσσωρευτών ιόντων λιθίου με δυνατότητα φυσικής ερμηνείας και βασισμένη σε εξισώσεις, από το επίπεδο του κελιού έως το επίπεδο ολοκληρωμένων ενεργειακών συστημάτων. Περιλαμβάνει ισοδύναμα κυκλωματικά μοντέλα κελιού, δομές συσσώρευσης σε επίπεδο πακέτου, σύζευξη ηλεκτρικής και θερμικής συμπεριφοράς, καθώς και μια ημι-εμπειρική διατύπωση γήρανσης. Η βιβλιοθήκη ενσωματώνει επίσης βοηθητικά υποσυστήματα, όπως μοντέλα ηλεκτρικών συστημάτων οχήματος, αμφίδρομους φορτιστές και μετατροπείς διασύνδεσης με το δίκτυο, επιτρέποντας την απρόσκοπτη ενσωμάτωση των συσσωρευτών σε πολύπλοκα ενεργειακά συστήματα. Ο σχεδιασμός δίνει προτεραιότητα στη διαφάνεια, την προσαρμοστικότητα και τη διαλειτουργικότητα, αποφεύγοντας αδιαφανείς προσεγγίσεις «μαύρου κουτιού» και υποστηρίζοντας διασύνδεση με εξωτερικά εργαλεία μέσω FMI και API. Η βιβλιοθήκη συμπληρώνεται από ένα ευρύ σύνολο ανοικτών δεδομένων παραμέτρων που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συσσωρευτών με διαφορετική χημική σύνθεση και χωρητικότητα, εξασφαλίζοντας αντιπροσωπευτικότητα και επεκτασιμότητα. Η διατριβή ξεκινά με την ανάλυση του πολιτικού, τεχνολογικού και αγοραστικού πλαισίου που οδήγησε στην ταχεία υιοθέτηση συσσωρευτών ιόντων λιθίου. Ακολουθεί μια συνοπτική θεωρητική επισκόπηση, η οποία καλύπτει τις βασικές αρχές της θεωρίας της ηλεκτροχημείας, τα θεμελιώδη μεγέθη σε επίπεδο κελιού και τους μηχανισμούς υποβάθμισης. Η επισκόπηση των υφιστάμενων μεθοδολογιών μοντελοποίησης, από ηλεκτροχημικά μοντέλα πρώτων αρχών έως μοντέλα ισοδύναμου κυκλώματος και δεδομενοκεντρικά μοντέλα, αναδεικνύει την ανάγκη ισορροπίας μεταξύ ακρίβειας, υπολογιστικού κόστους και επεκτασιμότητας μεταξύ συστημάτων, επιβεβαιώνοντας την ανάγκη για ένα ενοποιημένο, αρθρωτό και φυσικά ερμηνεύσιμο περιβάλλον μοντελοποίησης, ικανό να υποστηρίξει τόσο λεπτομερή ανάλυση όσο και προσομοίωση συστημάτων. Εφαρμόστηκε μια αυστηρή διαδικασία επαλήθευσης και επικύρωσης για την αξιολόγηση της LIBSystems σε πολλαπλές χρονικές και χωρικές κλίμακες. Σε επίπεδο κελιού, η βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη απόκριση αξιολογήθηκαν υπό τυπικούς κύκλους οδήγησης (US06, FTP-75) με χρήση πειραματικών δεδομένων και προτύπων PyBaMM, ενώ οι δοκιμές Hybrid Pulse Power Characterisation επιβεβαίωσαν περαιτέρω την ακρίβεια τάσης. Σε επίπεδο πακέτου, η συμπεριφορά επαληθεύτηκε έναντι προφίλ πολλαπλών κελιών εξαγόμενων από το υπολογιστικό πακέτο liionpack. Το μοντέλο γήρανσης βαθμονομήθηκε με βάση σύνολο δεδομένων 228 κελιών, αποτυπώνοντας τόσο ημερολογιακή όσο και κυκλική υποβάθμιση και επιτρέποντας μακροχρόνιες προβλέψεις απώλειας χωρητικότητας. Σε επίπεδο συστήματος, ένα πλήρες μοντέλο ηλεκτρικού οχήματος αναπαρήγαγε τις καμπύλες τάσης, ισχύος και κατάστασης φόρτισης ενός επικυρωμένου προτύπου MATLAB Simscape, επιβεβαιώνοντας τη συνοχή από το στοιχείο έως το ολοκληρωμένο σύστημα. Το πλαίσιο μοντελοποίησης εφαρμόστηκε στη συνέχεια σε τέσσερις εφαρμογές. Σε ένα οικιακό μικροδίκτυο PV–ORC–μπαταρίας, η αντικατάσταση της μονάδας μολύβδου-οξέος με σύστημα Li-ion αύξησε τη χρήση της φωτοβολταϊκής παραγωγής κατά 4.5% και βελτίωσε τον λόγο εγχυθείσας προς ονομαστική ενεργειακή χωρητικότητα κατά 10% λόγω βαθύτερης φόρτισης/εκφόρτισης. Στη μελέτη των ηλιακά υποβοηθούμενων ηλεκτρικών οχημάτων, η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο ανά 100 km στο Βερολίνο μειώθηκε κατά 29% με φωτοβολταϊκά (Φ/Β) επί οχήματος και κατά 45% με φόρτιση μέσω οικιακού συστήματος Φ/Β–μπαταρίας· στο Λος Άντζελες οι μειώσεις έφτασαν το 44% και 74% αντίστοιχα. Το ημερήσιο ηλιακό εύρος κίνησης αυξήθηκε κατά μέσο όρο κατά 13.2 km στο Βερολίνο και 19.7 km στο Λος Άντζελες, αναδεικνύοντας την ισχυρή εξάρτηση από τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία. Σε δίκτυα διανομής με φορτιστές αμφίδρομης ροής ισχύος (vehicle-to-grid – V2G), οι δυναμικές προσομοιώσεις με ιστορικά φορτία επιβεβαίωσαν την εξεταζόμενη τοπολογία και τη στρατηγική προγραμματισμού ως τεχνικά εφικτές, δείχνοντας ότι η συντονισμένη φόρτιση και εκφόρτιση μπορεί να επιτευχθεί χωρίς να διαταράσσεται η ευστάθεια του δικτύου. Στο ηλεκτρικό σύστημα της νήσου Τερσέιρα, ένα σύστημα ιόντων λιθίου 10.5 MW / 15 MWh αύξησε το ελάχιστο της συχνότητας κατά 14% υπό διείσδυση ΑΠΕ 60% και κατά 17% υπό 80%, ενώ ο χρόνος αποκατάστασης μειώθηκε από 13 s σε 10 s στο σενάριο 60%, επιβεβαιώνοντας τη συμβολή των συσσωρευτών ταχείας απόκρισης σε δίκτυα χαμηλής αδράνειας. Συνολικά, η διατριβή καταδεικνύει ότι το LIBSystems αποτελεί ένα στιβαρό και διαφανές οικοσύστημα που συνδέει τη λειτουργία των κελιών ιόντων λιθίου με τη δυναμική προσομοίωση ενεργειακών συστημάτων μεγάλης κλίμακας. Το πλαίσιο συνδυάζει αρθρωτή μοντελοποίηση, πολυεπίπεδη επικύρωση της ακρίβειας και εφαρμογή σε πραγματικά ενεργειακά συστήματα, δημιουργώντας τη βάση για μελλοντικές επεκτάσεις με μηχανισμούς φυσικοχημικής γήρανσης, προηγμένα μοντέλα συστήματος θερμικής διαχείρισης, ηλεκτρονικών ισχύος, σχημάτων hardware-in-the-loop και εξελιγμένες στρατηγικές ελέγχου, προς υποστήριξη του σχεδιασμού και της βελτιστοποίησης συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.