Thermal challenges of battery management system for Lithium-ion battery

In this thesis work, the battery management system of lithium-ion battery cells for electric vehicles (EVs) is discussed. lithium-ion battery cells are used in other applications such as cell phones, laptops, and many other technologies already have BMS built in, which has a promising performance and doesn't need a complex BMS like in a vehicle application. Even though a single cell has a finite amount of capacity and voltage, the battery packs in EVs operate at higher current discharge and fast charging rate which means hundreds of cells must be connected in parallel and series to give electrified cars an acceptable amount of energy. Accordingly, the main challenge for electric vehicles is BMS which manages the thermal behaviour of the battery pack and affects its lifetime. Thermal management system (TMS) is a core and a major focus of study for battery packs in electric vehicles. The next advanced generation of EVs has a wider range which requires capacity increase and extreme fast charging. Moreover, the vehicles must be able to run on a high discharging current rate to improve their capability for high acceleration and high-power discharge. Accordingly, an enormous amount of heat is generated, which reduces the life cycle of the battery packs and potentially causes safety issues, such as overheating, combustion, and explosion. Therefore, the need for the design of an efficient thermal management system is essential for reducing any accidents that might occur due to these problems. The present work will conduct a detailed survey on the thermal management system design for cooling the battery packs, challenges against thermal management systems explained by experimental and numerical simulation, and possible future works.

In questo lavoro di tesi viene discusso il sistema di gestione delle celle agli ioni di litio utilizzate per veicoli elettrici (EV). Le celle della batteria agli ioni di litio vengono utilizzate in svariate applicazioni come telefoni cellulari, laptop e molte altre tecnologie che già dispongono di un BMS integrato, che ha prestazioni promettenti nonostante non sia un BMS complesso come quello utilizzato per veicoli elettrici. Anche se una singola cella ha una quantità limitata di capacità e voltaggio, i pacchi batteria dei veicoli elettrici richiedono una scarica di corrente più elevata e una velocità di ricarica rapida, pertanto centinaia di celle devono essere collegate in parallelo e in serie per fornire alle auto elettriche una quantità sufficiente di energia. Quindi la sfida principale per i veicoli elettrici è avere un BMS che gestisca correttamente il comportamento termico del pacco batteria e ne influenzi la durata. Il sistema di gestione termica (TMS) è uno dei principali obiettivi di studio per i pacchi batteria nei veicoli elettrici. La prossima generazione avanzata di veicoli elettrici ha un’autonomia più ampia che richiede un aumento della capacità e una ricarica estremamente rapida. Inoltre, i veicoli devono essere in grado di funzionare con un tasso di corrente di scarica elevato per migliorare la loro capacità di accelerazione elevata e scarica ad alta potenza. Di conseguenza, viene generata un'enorme quantità di calore, che riduce il ciclo di vita dei pacchi batteria e causa potenzialmente problemi di sicurezza, come surriscaldamento, combustione ed esplosione. Pertanto, la necessità di progettare un efficiente sistema di gestione termica è essenziale per ridurre eventuali incidenti che potrebbero verificarsi a causa di questi problemi. Il presente lavoro condurrà un'indagine dettagliata sulla progettazione del sistema di gestione termica per il raffreddamento dei pacchi batteria, sulle sfide contro i sistemi di gestione termica spiegate mediante simulazione sperimentale e numerica e sui possibili lavori futuri.