Riassunto analitico
La quota di mercato dei veicoli elettrici aumenta ogni anno e non si prevede che rallenti a breve. La maggior parte di essi è dotata di batterie agli ioni di litio, che possono causare incendi ed esplosioni se soggette a carichi estremi, ad esempio in caso di incidenti stradali.
La progettazione delle auto moderne si basa fortemente su modelli numerici, che utilizzano rappresentazioni matematiche dei materiali per ottenere informazioni come l'assorbimento di energia e la deformazione a rottura per ciascun componente in uno scenario di incidente virtuale. Questi risultati vengono utilizzati per il dimensionamento di componenti critici dell'auto.
Sebbene il comportamento elettrochimico delle celle agli ioni di litio sia stato studiato da diverse pubblicazioni, il comportamento meccanico durante deformazioni estreme non è ancora ben compreso, il che pone dubbi sulla sicurezza di tali veicoli.
Nessun modello di un materiale può essere sviluppato e validato senza una profonda comprensione del comportamento meccanico della cella, il che porta a una mancanza di informazioni durante la fase di progettazione e, di conseguenza, a problemi di sicurezza.
Lo scopo di questa tesi è quello di approfondire le conoscenze sulla modellazione meccanica di batterie cilindriche agli ioni di litio per applicazioni automobilistiche.
Viene presentato lo stato dell'arte della modellazione della batteria e viene trattata un'introduzione al metodo degli elementi finiti.
Un modello numerico della cella viene creato utilizzando l'analisi agli elementi finiti. Il noto modello di materiale "crushable foam" viene utilizzato per rappresentare la struttura interna della cella come un solido omogeneo.
L'efficacia di due criteri di frattura, originariamente sviluppati per i metalli, viene valutata per modellare il cedimento strutturale della struttura interna alla batteria.
Le prove meccaniche vengono eseguite al fine di acquisire dati sperimentali, che vengono utilizzati per validare il modello.
L'espansione volumetrica della cella durante un ciclo di carica viene studiato attraverso misurazioni DIC, che vengono utilizzate per ottenere informazioni sullo stato di sollecitazione interno alla cella.
La struttura interna di una batteria carica è ottenuta mediante scansioni di tomografia computerizzata e viene confrontata con la struttura interna di una batteria scarica.
Il modello omogeneo calibrato fornisce risultati efficaci in termini di capacità di carico e deformazione a rottura quando viene confrontato ai dati sperimentali.
I risultati dell'espansione volumetrica dovuta allo stato di carica e la ricostruzione tramite tomografia della struttura interna verranno utilizzati in studi successivi per ulteriori modelli numerici.
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Abstract
The market share of electric vehicles is increasing every year, and it is not expected to stop anytime soon. Most of them are equipped with Li-Ion batteries, which may cause fire and explosions when subjected to extreme loadings, such as in a road accident.
The engineering design of modern cars heavily relies on numerical models, which employ material constitutive relations to obtain information such as energy absorption and displacement at fracture for each component in a virtual crash scenario. These results are used for dimensioning critical car components.
While the electrochemical behavior of Li-ion cells has been investigated by several publications, mechanical behavior during extreme deformations is not well understood yet, which poses concerns about the safety of such vehicles.
No material model can be developed and validated without a deep understanding of the cell's mechanical behavior, leading to a lack of knowledge during the design phase, and consequently safety issues.
The purpose of this thesis is to deepen the knowledge about the mechanical modeling of cylindrical Li-ion batteries for automotive applications.
State of the art of battery modeling is presented, and an introduction to the finite element method is covered.
A numerical model of the cell is created using finite element analysis. The well-known crushable foam material model is used to represent the internal structure of the cell as a homogenized solid.
The effectiveness of two failure criteria, originally developed for metals, is evaluated for modeling jellyroll failure.
Mechanical testing is performed in order to acquire experimental data, which are used to validate the model.
The swelling of the cell during a charging cycle is investigated through DIC measurements, which are used to get insights into the stress state of the jellyroll.
The internal structure of a charged cell is obtained by CT scans, and it is compared to the internal structure of a discharged cell.
The calibrated homogenized model yields effective results in terms of load-carrying capabilities and displacement at fracture compared to the experimental data.
Swelling results and internal cell structure will be used in subsequent studies for further cell modeling.
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