Metodi e strumenti per la caratterizzazione e lo sviluppo delle batterie al litio - Methods and Tools for Characterizaton and Development of Lithium Batteries

The market for lithium-ion batteries is growing exponentially. The performance of battery cells is growing due to improving production technology, but market request is growing even more rapidly. The lithium batteries embeds a battery management system that measure the voltage and temperature of the cells and controls the battery. Modeling and characterization of single cells and an efficient simulation environment is fundamental for the development of an efficient battery management system. One of the critical aspects of the use and management of lithium-ion battery packs is the statistical variations of the electro-chemical-thermal characteristics of the single cells. The first part oh this thesis is devoted to defining a novel lumped electrothermal circuit of a single battery cell, the extraction procedure of the parameters of the single cell from experiments, and a simulation environment in SystemC-WMS for the simulation of a battery pack. The electrothermal model of the cell was validated against experimental measurements obtained in a climatic chamber. The model is then used to simulate a 48-cell battery, allowing statistical variations among parameters. The different behaviors of the cells in terms of state of charge, current, voltage, or heat flow rate can be observed in the results of the simulation environment. The Montecarlo method on the SystemC-WMS simulations has also been used. In the last chapter is presented an HW platform composed by a custom open-source BMS with a standard Arduino Uno compatible pin-out, a battery charger, six lithium cells, and the software that manages the test. The platform is validated by using a passive cells balancing algorithm and a charging algorithm that interacts between them. The test shows as during the passive balancing the algorithm must take into account also the temperature of the board. The platform helps to develop of charging and balancing algorithms and some experiments shown the benefits of the platform during the comparison of some balancing algorithms.

Negli ultimi anni, il mercato per le batterie al litio sta crescendo in maniera esponenziale. Anche le prestazioni delle batterie stanno crescendo grazie ai continui miglioramenti tecnologici ma le richieste di mercato crescono ancor più velocemente. Le batterie basate sulla tecnologia al litio hanno bisogno di un sistema embedded, il Battery Management System, che monitora lo stato delle varie celle e controlla l’intera batteria. Per ottimizzare e velocizzare sviluppo di questi sistemi embedded è fondamentale avere un ambiente di simulazione adatto e dei modelli elettro-termici delle celle che devono essere state prima accuratamente caratterizzate. Le variazioni statistiche fra le caratteristiche elettro-termiche delle celle al litio che compongono la batteria, infatti, portano ad una riduzione consistente delle performance dell’intera batteria. Inizialmente viene definito un nuovo modello elettro-termico a parametri concentrati della singola cella al litio e contestualmente viene descritta la procedura per l’estrazione dei parametri durante alcuni cicli di carica e scarica. Di seguito viene proposto e descritto un ambiente di simulazione in SystemC-WMS per la simulazione dell’intero battery-pack. Il modello della cella proposto è stato validato utilizzando delle misure sperimentali attenute a diverse temperature utilizzando una camera climatica. Il modello è stato poi utilizzato per simulare una batteria composta da 48 celle introducendo delle variazioni statistiche fra i parametri. L’ambiente di simulazione proposto consente di evidenziare ed analizzare i differenti comportamenti fra le celle in termini di stato di carica, correnti, tensioni, e flusso di calore. Alcune simulazioni portate a termine con il metodo Montecarlo hanno consentito di analizzare l'influenza della variazione statistica di ciascun parametro sulle prestazioni della batteria. Nella parte finale della tesi viene presentata una piattaforma hardware composta da un BMS, un carica-batterie, sei celle al litio ed un software che gestisce la simulazione. La piattaforma agevola lo sviluppo di algoritmi di carica e bilanciamento ed alcuni test dimostrano l’utilità della piattaforma durante il confronto di alcuni algoritmi di bilanciamento proposti.