Electro-thermal modelling and characterization of a Li-Po battery

This thesis work aims to develop an electro-thermal model of a Lithium Cobalt Oxide battery, which could be useful to simulate the working temperature at different currents. The complete model is composed of three blocks: electrical block, conversion block, thermal block; as input it has only the ambient temperature and the working current, as outputs it has the battery temperatures in four points. The first step is to characterize the thermal resistances of the model, using some Peltier cell as heat generators and, measuring the temperature of the battery, it is possible to calculate the thermal resistances. The second step is to characterize the thermal capacitances. In order to do this a current test is made and the battery temperature is recorded in every instant to have the transient trend of the heating process. Once obtained the heating behaviour of the battery, it is fitted with an exponential equation and, using the results from this test and the fitting ones, the capacitances could be calculated. The third step is to characterize the electrical parameters, in particular only the resistive ones, because only dissipative phenomena are considered. Once all the parameters of the models are characterized, the validation of the models is necessary. To validate the complete model three tests with different currents are performed. The same currents are injected into the battery mode, and then, the simulated temperature and the experimental one are compared. After that, the error of the simulation model is calculated for each validation test. It is observed that the simulation have almost the same trend of the real tests. Considering that the errors are acceptable for all measurements, it is possible to confirm the goodness of the model.

Questa tesi ha l’obbiettivo di sviluppare un modello elettro-termico di una batteria agli Ossidi di Litio e Cobalto, questo può essere utile per simulare la temperatura di funzionamento a diverse correnti. Il modello completo è composto da tre blocchi: il blocco elettrico, il blocco di conversione e il blocco termico; come input il modello ha solo la temperatura ambiente e la corrente di utilizzo della batteria, come output il modello dà la temperatura della batteria in quattro punti. Il primo step è caratterizzare le resistenze termiche del modello, per fare questo sono state usate delle celle di Peltier come generatori di calore e, misurando le temperature della batteria, è stato possibile calcolate le resistenze termiche. Il secondo step è caratterizzare le capacità termiche. Per fare questo è stato fatto un test in corrente dove è stata registrata la temperatura della batteria in ogni istante per avere l’andamento del transitorio di riscaldamento. Una volta ottenuto il comportamento della batteria, questo viene adattato ad una equazione esponenziale e, usando i risultati del test e del processo di fitting, le capacità possono essere calcolate. Il terzo step è caratterizzare i parametri elettrici, in particolare caso solo quello resistivi, perché solo i fenomeni dissipativi sono stati considerati. Una volta che tutti i parametri del modello completo sono stati caratterizzati, la validazione di quest’ultimo è necessaria. Per validare il modello sono stati fatti tre test con differenti correnti. Le stesse correnti sono state iniettate nel modello della batteria e sono state simulate le temperature di quest’ultima, successivamente sono stati paragonati con i risultati sperimentali. Dopo di che sono stati calcolati gli errori per ogni test di validazione. È stato osservato che la simulazione del modello ha quasi lo stesso andamento dei test reali. Considerando che gli errori sono stati accettabili per tutte le misure, è possibile confermare la validità del modello.