Disassembly planning of electric vehicle Li-ion batteries considering safety risks

The Li-ion battery (LIB) packs of Electric Vehicles (EVs) are the storage systems of the electrical energy used for their motion, in combination with an internal combustion engine in case of Hybrid EVs. They are called packs because they are constructed by group of cells (like the batteries contained in our mobile phones, PC, etcetera), linked together into modules, which are connected in series with other supporting assembly blocks, such as junction block, battery management system and heating/-cooling system, to form the whole battery pack. The market of the EVs is constantly growing and after a decade from their entry into the market the 􏰄rst Li-ion battery packs have reached the end of their life cycle. In order to reduce their impact on the worldwide ecological and economical system, sustainable circular solutions such as recycling, repair and remanufacturing, must be implemented and a key process required by these solutions is the disassembly. Given their high structural complexity, the absence of standardized design and the high vari- ability due to the usage conditions, the LIB packs disassembly is performed manually by operators, who therefore are exposed to their high voltage po- tential hazard. Since now there are no strategies aiming to optimize the pack disassembly sequence keeping into consideration the safety risks faced by the operator, the goal of the thesis is to propose an engineering method to 􏰄nd the most suitable disassembly sequence which minimizes the worker exposure to the electrical hazard, applicable to the di􏰃erent types of battery packs. This has required a deep analysis and comparison of the assembly structures and disassembly requirements for the three types of battery packs (cylindrical, prismatic and pouch) and a validation on a real case including a comparison of the results with the solution obtained by a total disassembly time minimization strategy, that doesn't consider the safety risks. This study aims to be also a base for further developments in this direction.

I pacchi batteria agli ioni di Litio dei veicoli elettrici (EV) sono gli accumu- latori dell'energia elettrica usata per la loro propulsione, in assistenza ad un motore a combustione interna in caso di mezzi ibridi. Si chiamano pacchi perché sono composti da un gruppo di celle (simili alle batterie contenute nei nostri telefoni cellulari, PC), collegati tra loro in moduli, a loro volta connessi in serie per formare l'intero pacco batteria insieme altri blocchi di assemblaggio come il blocco di giunzione, il sistema di gestione della bat- teria (BMS) e sistema di ra􏰃reddamento. Il mercato dell'EV è in costante crescita e dopo un decennio dal loro ingresso nel mercato i primi pacchi agli ioni di litio hanno raggiunto la 􏰄ne del loro ciclo di vita. Al 􏰄ne di ridurre il loro impatto sul sistema ecologico ed economico mondiale, è necessario implementate soluzioni di economia circolare come il riciclo, la riparazione e la rigenerazione, ed un processo chiave richiesto da queste soluzioni è lo smontaggio. Data la loro elevata complessità strutturale, l'assenza di un de- sign standardizzato e l'elevata variabilità dovuta alle condizioni di utilizzo, lo smontaggio dei pacchi batteria viene eseguito manualmente dagli operatori, che pertanto sono esposti al potenziale rischio relativo al loro alto voltaggio. Ad oggi non ci sono strategie volte a ottimizzare la sequenza di smontaggio del pacco tenendo in considerazione i rischi per la sicurezza dell'operatore, quindi l'obiettivo della tesi è proporre un metodo ingegneristico per trovare la sequenza di smontaggio più adatta che minimizzi l'esposizione del lavoratore al potenziale rischio elettrico, applicabile per i diversi tipi di pacco batterie. Ciò ha richiesto un'analisi e comparazione degli assemblaggi e disassemblaggi per i diversi tipi di pacchi batteria (con celle cilindriche, prismatiche ed a pac- chetto), ed una convalida su un caso reale comprendente un confronto con la soluzione ottenuta da un approccio che minimizza il tempo totale di dis- assemblaggio senza tener conto dei rischi per la sicurezza dell'operatore. Lo studio vuole anche essere una base per ulteriori sviluppi in questa direzione.