Lithium-ion battery thermo-electrochemical model for SOH estimation

In the last few years, an extraordinary change in climate conditions, such the increase of temperatures respect to the seasonal mean values, has been worldwide ascertained. One of the reasons lies in the extended use of transportation based on combustion engines. This trend is clearly not going to decrease since the global population is quickly increasing, leading to a growth in the petrol demand and usage. Moreover, oil reservoirs will not last forever, so a substitute source of energy and a method for its accumulation must be employed more frequently in our society, whose mobility concept is still based on combustion engines. Finally, the exhaust gas make the air polluted, and thus, poisonous for people health. These problems are nowadays under the spotlight of the international community, aware that some measures to tackle the issue must be improved and extended, given that what has been done until now it is still not enough. For this reason electric mobility is currently a point of focus for the whole automotive industry. Lithium-ion batteries are so far one of the most promising way to feed an electric vehicle (EV), and algorithm able to properly control the use of this technology must be employed on vehicles, in order to extend the life cycle of the battery.\\ In this thesis a thermo-electrochemical model is designed with the purpose of defining the state of health (SOH), in standard environmental conditions, of a lithium-ion battery which past history is unknown.\\ After an introduction that gives an overview on battery modeling, on battery management system (BMS) working principles, including also its tasks and limits, and on the aging processes that occur in lithium-ion batteries, the pseudo-2D (P2D) thermo-electrochemical model is presented in details. Then, the experimental part performed on the real batteries is pointed out, underlining the meaning and the uti\-lity of each test carried out. Subsequently, the model of the battery is implemented in a simulation software to estimate the unknown parameters of the battery, minimizing the error between the simulated voltage curve and the corresponding experimental data. Finally, results obtained running some simulations on the complete model are compared with other sets of data in order to validate the model, both in static and in dynamic current conditions.

Negli ultimi anni abbiamo assistito ad un importante cambiamento climatico, come ad esempio l'incremento delle temperature rispetto alla media stagionale. Una delle ragioni risiede nel vasto utilizzo dei mezzi di trasporto che fanno uso di motori a combustione interna. Purtroppo, questo trend non è desinato a diminuire dal momento che la popolazione mondiale cresce velocemente e con essa cresce la domanda e l'utilizzo di idrocarburi. In secondo luogo, le riserve di petrolio non sono illimitate, quindi una fonte di energia e un metodo di accumulo alternativi dovranno essere utilizzati sempre con più frequenza nella nostra società, la quale, per la maggior parte, basa la sua mobilità proprio sui motori a combustione interna. Inoltre, non bisogna dimenticare che i gas di scarico sono dannosi per la nostra salute. Al momento, questi problemi sono sotto l'attenzione di tutta la comunità internazionale, ben conscia dell'importanza di dover migliorare ed estendere le soluzioni già intraprese per affrontarli, dal momento che, fino ad ora, queste misure non sono sufficienti. Per questo motivo, la mobilità elettrica è un punto su cui l'industria automobilistica si sta focalizzando. Le batterie agli ioni di litio sono per ora una delle tecnologie più promettenti per l'alimentazione dei veicoli elettrici (EV). E' quindi importante sfruttare questa tecnologia al meglio, utilizzando algoritmi di controllo in grado di estendere la vita utile della batteria.\\ In questa tesi viene sviluppato un modello termo-elettrochimico per un tipo di batteria agli ioni di litio, di cui non si conosce la storia temporale del suo utilizzo, al fine di stimarne lo stato di salute (SOH), in condizioni ambientali standard.\\ Dopo una prima parte introduttiva che fornisce una panoramica sulla modellazione delle batterie, sul principio di funzionamento del sistema di gestione delle batterie (battery management system BMS), includendone compiti e limiti, e sui processi di invecchiamento delle batterie al litio, il modello termo-elettrochimico pseudo-2D (P2D) viene presentato in dettaglio. Segue poi la parte sperimentale condotta sulle batterie, ed in particolare vengono spiegati il significato e l'utilità dei vari step sperimentali. Successivamente, il modello viene implementato in un software per simularlo e stimare alcuni parametri mancanti, mi\-nimizzando l'errore tra la curva di voltaggio simulata ed i corrispondenti dati sperimentali. In fine, i risultati ottenuti lanciando alcune simulazioni sul modello completo vengono comparati con altri set di dati per la validazione del modello, sia in condizioni statiche che dinamiche di corrente.