Riassunto analitico
Le batterie agli ioni di litio hanno molti vantaggi e applicazioni in campo industriale. I loro punti di forza sono l’elevata tensione di cella, l’elevata densità di energetica (migliore di sempre), lungo ciclo di vita, rispettosità dell’ambiente, effetto memoria quasi assente, ampio intervallo di temperatura di lavoro, tasso di autoscarica molto basso ecc. Hanno anche diverse applicazioni come ad esempio in telefoni cellulari, fotocamere digitali, dispositivi elettronici e accumulo di energia. Negli ultimi anni, la gamma di applicazioni Li-ion è diventata più ampia, estendendosi ai settori aerospaziale, militare e altri settori critici. Infatti, le caratteristiche di affidabilità consentono di impiegare tale tecnologia anche laddove questa è cruciale per la funzionalità dell'intero sistema.
L'affidabilità è un vantaggio per le batterie agli ioni di litio, anche se sono stati registrati diversi episodi di guasto della batteria da quando sono state introdotte sul mercato. Un esempio recente è quello dei Samsung Galaxy Note 7 che hanno preso fuoco durante i voli aerei, così che la Federal Aviation Administration ha consigliato fortemente ai passeggeri di non accendere questi dispositivi a bordo dell'aeromobile.
Negli ultimi anni, le batterie agli ioni di litio hanno raggiunto un livello di implementazione tale da consentire il loro utilizzo per applicazioni automobilistiche; al giorno d'oggi tutti i produttori di automobili hanno in programma di offrire nelle loro flotte almeno una versione di veicolo elettrico o ibrido che equipaggi una batteria al litio.
Ulteriori miglioramenti sono stati fatti sui Sistemi di gestione delle batterie (BMS) che hano un ruolo chiave per quanto riguarda la sicurezza della batteria.
Tuttavia, i sistemi la cui affidabilità è una qualità intrinseca stanno suscitando l'interesse di alcune case automobilistiche e produttori di batterie. Le batterie agli ioni di litio allo stato solido (SSBs) sono attualmente la tecnologia più interessante da questo punto di vista. Pertanto, questo progetto di tesi è stato focalizzato sulla ricerca di ciò che il mercato può offrire in relazione a questa nuova tecnologia e sulla valutazione delle prestazioni che può essere in grado di fornire.
I limiti delle prestazioni elettriche delle SSBs sono stati rilevati, anche grazie agli strumenti di simulazione come MATLAB e Simulink. Innanzitutto un modello di batteria è stato creato e validato con dati sperimentali forniti da un produttore di batterie. Quindi è stato costruito un modello di veicolo elettrico comprendente la dinamica longitudinale del veicolo e il comando di velocità come input. I limiti della batteria sono stati trovati nella capacità o meno del veicolo di marciare alla velocità richiesta.
Ciò che è stato osservato, sia nelle schede tecniche della batteria che durante le simulazioni, è l'incapacità delle batterie allo stato solido di fornire potenze elevate e quindi di seguire la velocità richiesta. In altre parole, hanno dimostrato di non fornire abbastanza potenza rispetto ad una classica batteria agli ioni di litio.
Infine, la ricerca nel campo delle batterie al litio tutt’altro che terminata, quindi ci si aspettano ulteriori miglioramenti nei prossimi anni. Attualmente, le batterie agli ioni di litio allo stato solido non hanno dimostrato di essere competitive con quelle agli ioni di litio. Un BMS ben progettato può rendere effettivamente sicuro un sistema instabile come la batteria agli ioni di litio, anche grazie ai sistemi di raffreddamento. In altre parole, la sicurezza della batteria è attualmente considerata un problema gestibile e risolto, dando maggiore priorità alle prestazioni della batteria ed alla densità energetica.
Tuttavia, non sarebbe una sorpresa se i laboratori chimici di ricerca attivi nel campo delle batterie venisse trovata una soluzione per rendere le SSBs più potenti e competitive.
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Abstract
Lithium Ion Batteries have many advantages and applications in industrial field. Its strenghts are high cell voltage, characterized by the energy density best ever, long life cycle, environmental friendliness, almost no memory effect, wide working temperature range, very low self discharge rate and the like. It also have several applications suche as mobile phones, digital cameras, information technology devices and energy storage. In the last years, Li-ion application range has become wider, expanding to aerospace, military and other critical fields. Indeed, reliability characteristic permits to employ such technology also where it is critical to the functionality of the overall system.
Reliability is a strenght for lithium ion batteries, even though several episode of battery failure have been registered since these have been introduced on the market. A recent example can be found in the Samsung Galaxy Note 7 which caught fire during airplanes flight, so that the Federal Aviation Administration strongly advised passengers not to turn on or charge these devices on board aircraft and not to stow them in any checked baggage.
In the last years, Lithium Ion batteries have reached a degree of implementation that enabled their use in automotive applications; nowadays, all car makers are planning to offer at least one version of battery electric vehicle or hybrid electric vehicle which equip a lithium battery in their fleets.
Further improvemets have been made on Battery Management Systems (BMS) that play a key-role concerning battery safety.
However, systems whose reliability is an intrinsic quality are provoking interest for some car manufacturers and battery makers. All-solid State Lithium Ion Batteries (SSBs) is currently the hottest topic from this perspective. Therefore, this thesis project has been focused on researching what market can offer with regard to this new technology and on assessing performances that it can be able to provide.
SSBs’ electrical performance limits have been detected, also thanks to simulation tools as MATLAB and Simulink. First a battery model has been created and validated with experimental data that a battery maker provided us. Then a Battery electric vehicle Model was built including Vehicle’s Longitudinal Dinamic and speed command as an input. Battery limits have been found in vehicle capability to follow the requested speed.
What was observed, both in the battery datasheet and during simulations is an inability of the SSB to provide high powers and therefore to follow the speed command. In other words it demonstrated that don’t provide enough power with respect to a classical lithium ion battery.
Finally, research in lithium battery field is far from the end, so that further improvements are expected in next years. Currently, Solid State lithium ion batteries haven’t demontrated to be competitive with lithium ion ones. A well designed BMS can make actually safe an unstable system like Lithium ion battery, also thanks to cooling systems. In other words, battery safety is currently considered as a solved problem, giving more priority to battery performances and energy density.
Although, it wouldn’t be a surprise if chemical laboratories of research in battery field find a solution to make SSBs more powerful.
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