Riassunto analitico
L’inquinamento globale e il cambiamento climatico sono tematiche che per i loro effetti, negli ultimi anni, hanno assunto un’attenzione sempre maggiore come testimonia la stringente legislazione internazionale. Il mondo scientifico si sta adoperando per rispondere a questa nuova sfida e, in ambito automotive, si sta sempre più consolidando l’elettrificazione del powertrain come possibile soluzione al problema.
La fonte primaria di energia nel veicolo diventa così il pacco batterie, costituito da celle agli ioni di litio, il cui limite principale è rappresentato dall’elevata dipendenza delle prestazioni e della sicurezza dalle temperature di utilizzo. Da questo limite deriva l’importanza di sviluppare modelli di simulazione del comportamento elettrico e termico delle celle per ottimizzare il design del pacco e dei suoi elementi ausiliari.
Con il presente lavoro, dopo aver analizzato i modelli disponibili in letteratura per simulare il comportamento elettrico e termico delle celle, si è sviluppato un modello di circuito equivalente di una singola cella commerciale agli ioni di litio, di tipo litio-ferro-fosfato (LFP), tipicamente utilizzata per applicazioni a elevata potenza. Per svilupparlo, non disponendo della cella in questione, i dati sperimentali e le informazioni sono state reperite in letteratura.
Inizialmente è stato creato un modello di circuito equivalente zero-dimensionale per valutare l’accuratezza della sua risposta elettrica e termica rispetto al dato sperimentale; nonostante le incertezze di modellazione derivanti dalle limitate informazioni a disposizione, il modello si è dimostrato abbastanza accurato. In particolare, la risposta elettrica simulata si è rivelata fedele rispetto al dato sperimentale e conseguentemente la risposta termica, calcolata a partire dall’equazione di Bernardi.
Consolidati i risultati, si è passati a un modello di circuito equivalente tridimensionale per valutare non solo il comportamento globale della cella ma anche quello di dettaglio come, ad esempio, la distribuzione di temperatura negli elementi che la compongono. Anche in questo caso i risultati si sono rivelati accurati se confrontati con quelli disponibili in letteratura.
In conclusione, i risultati ottenuti dimostrano come un modello di circuito equivalente tridimensionale sia in grado di fornire informazioni fondamentali per la progettazione e l’ottimizzazione di una cella agli ioni di litio e dei suoi sistemi ausiliari, combinando il basso costo computazionale con la buona accuratezza dei risultati. Inoltre la versatilità di un modello di questo tipo permette di estendere le simulazioni a un intero pacco batterie diventando essenziale, ad esempio, per la calibrazione di un sistema di gestione del pacco (BMS) piuttosto che per l’ottimizzazione del sistema di raffreddamento. Questi fattori conducono a una riduzione dei costi di sperimentazione e produzione, nonché a maggiori prestazioni del pacco e della sicurezza per l’utilizzatore finale.
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