Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
การพัฒนาแบบจำลองของแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศโดยใช้วิธีการเชิงทฤษฎีและเชิงประจักษ์
Year (A.D.)
2020
Document Type
Thesis
First Advisor
Soorathep Kheawhom
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Chemical Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมเคมี)
Degree Name
Doctor of Engineering
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Chemical Engineering
DOI
10.58837/CHULA.THE.2020.46
Abstract
Nowadays, an energy storage system (ESS) is attracting widespread research interest. Zinc-air battery (ZAB) is a promising candidate for ESS owing to its high energy density at low cost. Although ZAB has been researched in various aspects, the modeling aspect is still insufficient. Therefore, this work aims to study the modeling of ZAB using both theoretical and empirical approaches. At first, the ZAB system was analyzed using a theoretical approach. The studied system was an integrated system of zinc-air flow battery (ZAFB) and zinc electrolyzer. The zero-dimensional mathematical model was developed in MATLAB and validated against experimental data. The model was used to investigate 3 parameters: potassium hydroxide (KOH) concentration, zincate ion initial concentration and electrolyte flowrate. Hydrogen evolution reaction (HER) was contained in the model therefore the current efficiency based on HER of the system can be calculated. The result showed that increasing KOH concentration improved the discharge energy of the battery, but it also promoted HER. An optimal KOH concentration of 6-7 M was obtained from the simulation result. Increasing zincate ion initial concentration improved the current efficiency of the system as it reduced HER. For electrolyte flowrate, the higher flowrate helped maintain the concentration of the active species in the battery; however, the higher flowrate also provided a negative effect on the battery performance. Next, ZAB dynamic behavior was investigated by empirical modeling. A linear parameter-varying model was proposed to examine the nonlinear behavior of ZAB. The LPV model was created from a set of linear time-invariant models. The data used to identify and validate the model in this study was measured from a homemade refuellable ZAB. As a result, it was found that the LPV model was able to predict the nonlinear behavior of the battery and its performance was comparable to the nonlinear model. Finally, the SOC estimation of ZAB was studied. The LPV model integrated with the extended Kalman filter algorithm was proposed as SOC estimator. The data used to test in this case were obtained from a laboratory-made tri-electrode ZAFB. The tested scenarios include varied tuning parameters and the correctness of the initial SOC guess. The result revealed that the developed estimator was able to estimate true SOC value only when SOC approached zero due to the flat voltage profile of the flow battery. Nevertheless, the SOC estimator was capable of true SOC tracking in the long-term operation with multiple charge-discharge cycles. The results of this research provide a better comprehension and extended knowledge boundary of modeling of ZAB.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
ในปัจจุบันนี้ระบบกักเก็บพลังงานได้รับความสนใจในด้านงานวิจัยอย่างกว้างขวาง แบตเตอรี่สังกะสีอากาศเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่มีแววในการใช้เป็นระบบกักเก็บพลังงานเนื่องจากแบตเตอรี่สังกะสีอากาศมีความหนาแน่นพลังงานสูงแต่มีค่าใช้จ่ายต่ำ แม้ว่าแบตเตอรี่สังกะสีอากาศจะได้รับการวิจัยในหลากหลายด้านแต่การวิจัยในด้านการพัฒนาแบบจำลองยังคงไม่เพียงพอ ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมุ่งศึกษาการพัฒนาแบบจำลองของแบตเตอรี่สังกะสีอากาศโดยการใช้วิธีการเชิงทฤษฎีและเชิงประจักษ์ เริ่มแรกระบบแบตเตอรี่สังกะสีอากาศถูกวิเคราะห์ด้วยวิธีการเชิงทฤษฎี โดยระบบที่ใช้ศึกษาคือระบบร่วมระหว่างแบตเตอรี่สังกะสีอากาศแบบไหลกับอิเลคโทรไลเซอร์สังกะสี แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ศูนย์มิติถูกพัฒนาขึ้นโดยใช้โปรแกรมแม็ทแล็บและตรวจสอบเทียบกับข้อมูลจากการทดลอง แบบจำลองถูกใช้ในการตรวจสอบพารามิเตอร์ 3 อย่างได้แก่ ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ความเข้มข้นเริ่มต้นของไอออนซิงค์เคต และอัตราการไหลของอิเลคโทรไลต์ ปฏิกิริยาการเกิดแก็สไฮโดรเจนถูกบรรจุไว้ในแบบจำลองด้วย ดังนั้นประสิทธิภาพเชิงกระแสไฟฟ้าอิงจากการเกิดแก็สไฮโดรเจนของระบบจะสามารถคำนวณได้ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ทำให้พลังงานการคายประจุของแบตเตอรี่สูงขึ้น แต่ก็ทำให้แก็สไฮโดรเจนเกิดมากขึ้นเช่นกัน จากการทดลองพบว่าความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ที่เหมาะสมอยู่ที่ 6-7 โมลาร์ การเพิ่มของความเข้มข้นเริ่มต้นของไอออนซิงค์เคตทำให้ประสิทธิภาพเชิงกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเกิดแก็สไฮโดรเจนลดลง สำหรับอัตราการไหลของอิเลคโทรไลต์ที่สูงขึ้นจะช่วยรักษาค่าความเข้มข้นของสารในระบบให้คงที่ แต่อัตราการไหลที่สูงก็ส่งผลเสียต่อสมรรถนะของแบตเตอรี่เช่นกัน ต่อไปเป็นการศึกษาพฤติกรรมเชิงพลวัตของแบตเตอรี่สังกะสีอากาศโดยใช้แบบจำลองเชิงประจักษ์ แบบจำลองพารามิเตอร์ผันแปรเชิงเส้นถูกเสนอเพื่อใช้ในการตรวจสอบพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นของแบตเตอรี่สังกะสีอากาศ โดยแบบจำลองนี้สร้างจากชุดของแบบจำลองเชิงเส้นที่ไม่ขึ้นกับเวลา ข้อมูลที่ใช้สร้างแบบจำลองและสอบเทียบถูกวัดค่ามากจากแบตเตอรี่สังกะสีอากาศแบบเติมได้ที่ประกอบขึ้นเอง จากผลลัพธ์พบว่าแบบจำลองพารามิเตอร์ผันแปรเชิงเส้นสามารถทำนายพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นของแบตเตอรี่นี้ได้ และความสามารถในการทำนายของแบบจำลองนี้มีความแม่นยำทัดเทียมกับแบบจำลองที่ไม่เป็นเชิงเส้นอีกด้วย สุดท้ายคือการศึกษาการประเมินสภาวะของประจุของแบตเตอรี่สังกะสีอากาศ แบบจำลองพารามิเตอร์ผันแปรเชิงเส้นถูกใช้เป็นตัวประเมินสภาวะของประจุร่วมกับอัลกอริทึ่มตัวกรองคาลมานแบบขยาย ข้อมูลที่ใช้ทดสอบได้มาจากแบตเตอรี่สังกะสีอากาศแบบไหลที่มีสามขั้ว พารามิเตอร์ปรับแต่งที่ผันแปรกับความถูกต้องในการเดาค่าเริ่มต้นของสภาวะของประจุถูกใช้เป็นสถานการณ์จำลองในการทดสอบ ผลลัพธ์เผยว่าตัวประเมินสภาวะของประจุที่พัฒนาขึ้นสามารถที่จะประเมินค่าสภาวะของประจุจริงก็ต่อเมื่อสภาวะของประจุเข้าใกล้ศูนย์เนื่องจากว่าแบตเตอรี่แบบไหลนั้นมีรูปแบบโปรไฟล์แรงดันที่ค่อนข้างเรียบ อย่างไรก็ตามตัวประเมินสภาวะของประจุนี้สามารถติดตามค่าสภาวะของประจุจริงได้ในการดำเนินการระยะยาวที่มีการอัด-คายของประจุหลายรอบ ผลของงานวิจัยนี้สร้างความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับแบตเตอรี่สังกะสีอากาศมากยิ่งขึ้นและยังขยายขอบเขตความรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่สังกะสีอากาศในแง่ของการพัฒนาแบบจำลอง
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Lao-atiman, Woranunt, "Modeling of zinc-air batteries using theoretical and empirical approach" (2020). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 208.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/208