Electrothermal battery pack model for battery management systems application

Lithium-ion battery is considered one of the most ideal energy storage equipment for electric vehicles. This kind of battery offers advantages such as high power and energy density, long cycle life, low self-discharge rate etc. However, the temperature of the lithium-ion battery is the most dangerous constrain. In a battery pack composed by lithium-ion batteries, during charge/discharge operations, the temperature gradually increases especially in the batteries positioned in the central part of the battery pack. The temperature increase causes an increase of battery capacity, the hottest batteries have also a higher capacity. This leads central batteries to work more than the other batteries and, therefore, to warm up more. If battery temperature exceeds the maximum allowed value, the degradation rate of battery life would be accelerated, and thermal runaway would even be triggered over a critical temperature. Hence, a thermal management system that can share uniformly the temperature rise among the batteries and maintain the battery temperature below the limits is required. In order to ensure the control of the temperatures, it is necessary to fully know the temperature distribution inside the pack, especially in the unavailable central points. The objective of this thesis is to develop a model capable to give the thermal information needed to the management system operations. In this work is proposed an integrated electro-thermal model that can predict the heat generation, heat dissipation, and temperature rise of every single cell within a lithium-ion battery pack. The model proposed in this thesis uses a circuital approach to ensure a good trade-off between complexity and accuracy. The model is developed in a step-by-step procedure: starting from the developing of a single lithium-ion battery model to an n-cell battery pack model.

La batteria agli ioni di litio è considerata uno degli accumulatori di energia più ideali per i veicoli elettrici. Questo tipo di batteria offre vantaggi come l'alta densità di potenza ed energia, lunga durata del ciclo, basso tasso di auto-scarica ecc. Tuttavia, la temperatura della batteria agli ioni di litio è il vincolo più pericoloso. In un pacco batterie composto da batterie agli ioni di litio, durante le operazioni di carica/scarica, la temperatura aumenta gradualmente soprattutto nelle batterie posizionate nella parte centrale del pacco. L'aumento della temperatura provoca un aumento della capacità delle batterie; quindi, le batterie più calde hanno anche una capacità maggiore. Questo porta le batterie centrali a lavorare di più delle altre, le quali, conseguentemente, si scalderanno di più. Se la temperatura della batteria superasse il valore massimo consentito, il tasso di degradazione della vita della batteria verrebbe accelerato e oltre la temperatura critica, si potrebbe innescare il thermal runaway. Quindi, è necessario un sistema di gestione termica che possa condividere uniformemente l'aumento di temperatura tra le batterie e mantenere la temperatura al di sotto dei limiti consentiti. Per garantire il controllo delle temperature, è necessario conoscere a fondo la distribuzione della temperatura all'interno del pacco, specialmente nei punti centrali inaccessibili. L'obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare un modello in grado di dare le informazioni necessarie alle operazioni del sistema di gestione termica. In questo elaborato viene proposto un modello elettro-termico in grado di prevedere la generazione e la dissipazione di calore, stimando così l’andamento di temperatura di ogni singola cella all'interno del pacco batterie. Il modello proposto in questa tesi utilizza un approccio circuitale per garantire un buon compromesso tra complessità e precisione. In questa tesi, il modello è sviluppato in una procedura graduale: partendo dalla modellazione di una singola batteria agli ioni di litio, fino a un modello di un pacco di batterie a N celle.