Riassunto analitico
Negli ultimi anni, la crisi energetica e le preoccupazioni per l'inquinamento atmosferico stanno portando i governi e il settore industriale a definire un'economia globale sostenibile e pulita entro il 2050. Le emissioni di CO2 derivanti dal consumo di carburante nel settore dei trasporti hanno un impatto non trascurabile, pertanto sempre più case automobilistiche stanno esplorando diverse fonti di energia per produrre propulsori più efficienti. Attualmente, tra tutti i modi per produrre un gruppo propulsore efficiente, l'elettrificazione con batterie agli ioni di litio è l'unica strada percorribile per introdurre sul mercato veicoli a basse emissioni con le stesse prestazioni dei veicoli a combustione interna.
L'elettrificazione può essere implementata a diversi livelli, dalla configurazione Micro-Hybrid Electric Vehicle (MHEV), in cui un piccolo motore elettrico assiste il motore convenzionale, ai Battery Electric Vehicles (BEV), in cui i veicoli sono alimentati solo da motori elettrici; all'aumentare del livello di elettrificazione, la complessità dei pacchi batterie agli ioni di litio aumenta a causa di diversi fattori: dall'integrazione del veicolo all'implementazione di software e hardware per il monitoraggio e il controllo.
L'aumento del numero di BEV sul mercato richiede anche standard di sicurezza e metodi di test per garantire che le batterie agli ioni di litio siano considerate sicure prima di essere immesse sul mercato, dopo che esplosioni di alcuni veicoli elettrici sono state segnalate. Per quanto riguarda la sicurezza delle batterie agli ioni di litio, le strategie di gestione termica (TMS) stanno ricevendo maggiore attenzione da parte delle aziende e dei laboratori di ricerca, in quanto i pacchi batteria ad alta energia e densità di potenza si stanno facendo strada nel mercato.
In questa tesi, il problema termico delle batterie agli ioni di litio viene formulato descrivendo tutte le loro proprietà relative e introducendo la modellazione termica. Un modello termico a parametri concentrati si è rivelato più adatto per le applicazioni orientate al controllo, pertanto sono state pianificate procedure di test per la calibrazione dei relativi parametri termici dopo aver effettuato una revisione della letteratura. La revisione esaustiva dello stato dell'arte delle metodologie per il testing e la calibrazione dei valori dei parametri termici dei modelli termici fornisce ulteriori indicazioni su metodi alternativi al testing con calorimetri, che consentono ai laboratori di ricerca che non hanno accesso a costose apparecchiature di caratterizzare termicamente le celle delle batterie agli ioni di litio.
Sono state proposte due procedure di prova che consistono in un test di convalida dell'ipotesi, una procedura di calibrazione e un test di validazione del modello calibrato. Le procedure differiscono nella definizione della procedura di calibrazione: la prima mira a valutare i parametri termici con un solo test in cui la cella cilindrica viene riscaldata semplicemente alimentandola, mentre la seconda calibra i valori dei parametri termici uno per uno, in cui la capacità termica specifica viene valutata dal calore passivo. Per rendere fattibili queste procedure, è stato migliorato un setup sperimentale esistente, eliminando la dissipazione del calore della cella al supporto della cella e caratterizzando elettricamente un riscaldatore in poliimmide. Dal confronto tra le procedure sono emerse alcune considerazioni sui risultati, che hanno portato a riconsiderare e ridefinire la seconda procedura di calibrazione aggiungendo un altro parametro termico di calibrazione per tenere conto della diversa dinamica termica tra il nucleo e la superficie della cella.
Per entrambe le procedure di prova, la calibrazione viene poi validata generando un profilo di corrente derivato da un modello Simulink della Fiat 500 La Prima.
|
Abstract
In the recent years, energy crisis and air pollution concerns are leading governments and industrial sector to define a sustainable and clean global economy by 2050. CO2 emissions from fuel consumption of transportation sector have a non-negligible impact, therefore more and more automakers are exploring different energy sources in order to produce more efficient powertrains. Currently, among all different ways to produce an efficient powertrain, electrification with Li-ion battery cells is the only feasible way for introducing low-emission vehicles into the market with same performances of ICE-based vehicles.
Electrification can be implemented at different levels, from a Micro-Hybrid Electric Vehicle (MHEV) configuration, in which a small electric motor assists the conventional engine, to a Battery Electric Vehicles (BEV), in which vehicles are powered only using electric motors; as the level of electrification increases, Li-ion battery packs complexity increases due to several factor: from vehicle integration to software and hardware implementation for monitoring and controlling.
The increase in number of BEVs in the market also urges safety standards and test methods to ensure Li-ion batteries to be considered safe before entering the market after some electric vehicles' explosions have been reported. For what concerns Li-ion batteries safety, thermal management strategies (TMS) are getting more attention by companies and research lab as high energy and power density battery packs are leading their way into the market, it consists of an implementation of a proper cooling system and a control system which requires implementation of a calibrated thermal model capable of predicting battery pack temperature.
In this thesis, thermal problem of Li-ion batteries is formulated describing all their relative properties and introducing thermal modeling. A lumped-parameter thermal model has found to be most suitable for control-oriented applications, therefore testing procedures for calibrating relative thermal parameters has been planned after a literature review has been carried out. The exhaustive review of the state-of-the-art in methodologies for testing and calibrating thermal parameter values of thermal models gives more insights on alternative ways to calorimetry testing, which allows research lab that don't have access to expensive equipment to thermally characterize Li-ion battery cells.
Two testing procedures consisting of assumption validation test, calibration test procedure and validation test are proposed. Procedures differ in the calibration procedure definition, the first one aims at evaluating thermal parameters with only one test where cylindrical cell is heated up by simply powering the cell, whereas the second one calibrates thermal parameters values one by one where specific heat capacity is evaluated by passive heat. For making these procedures feasible, an existing experimental setup is improved eliminating cell heat dissipation to the cell holder and a polyimide heater is electrically characterized. Then, from comparing the procedures some considerations regarding the results are made, leading to reconsider and redefine the second calibration procedure adding another calibration thermal parameter to take into account of the different thermal dynamics between core and surface of the cell.
For both the testing procedures, calibration is then validated generating a current profile derived from a Simulink model of Fiat 500 La Prima.
|
