Impact of the operational stressors on lithium-Ion battery degradation under automotive application : experimental analysis and physical model-supported interpretation

The increasing concerns about global warming and air pollution caused by the emissions of traditional vehicles have led to an increasing need to make changes in transport sector. A broad deployment of electric vehicles (EVs) is only part of the solutions to achieve the climate neutrality by 2050 as set in the European Green Deal. In this scenario lithium-ion batteries are the most promising technology to drive the revolution of the automotive sectors. For these reasons great effort in the research is focusing on improving the performances and on the mitigation action necessary to minimize the impact of degradation that occur during the lifetime of the device. The aim of this work of thesis is to study lithium-ion battery aging mechanism under different operating conditions and gain knowledge about the most impacting stressors that affect the lifetime and the performances of the EVs. Therefore, a cycle aging campaign has been set up exploring different load profile, recharging current, mean SoC and DoD. Finally, the experimental evidence will be supported by the analysis made with a physical model. The results show that the battery aging is severally affected by the type of utilization and the environmental conditions. The temperature, the current rate and the DoD seems to be the most important variables that contributed to defining the rate of degradation of the batteries.

Le crescenti preoccupazioni per il riscaldamento globale e l'inquinamento atmosferico, causato dalle emissioni dei veicoli tradizionali, hanno portato alla necessità di apportare cambiamenti nel settore dei trasporti. Un'ampia diffusione dei veicoli elettrici (EV) è solo una parte della soluzione per raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, come stabilito nel Green Deal tra i paesi europei. In questo scenario le batterie agli ioni di litio sono la tecnologia più promettente per guidare la rivoluzione del settore automotive. Per questi motivi gli sforzi nella ricerca si stanno concentrando sul miglioramento delle prestazioni e sulle azioni di mitigazione necessarie per ridurre al minimo l'impatto del degrado delle batterie. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di studiare i meccanismi di invecchiamento delle batterie in diverse condizioni operative e acquisire conoscenze sui fattori di stress più impattanti che influenzano la durata delle batterie le prestazioni dei veicoli elettrici. Pertanto, è stata impostata una campagna sperimentale che esplora diversi profili di corrente, diverse correnti di ricarica, SoC medi e DoD differenti. Le evidenze sperimentali sono supportate da analisi fatte con un modello fisico. Queste mostrano come l'invecchiamento della batteria sia fortemente influenzato dal tipo di utilizzo e dalle condizioni ambientali; la temperatura, la corrente in scarica e il DoD sembrano essere le variabili più rilevanti che contribuiscono nel definire la velocità di degradazione delle batterie.