Numerical modelling of mechanical behavior in multifunctional structures with integrated Li-Po cells for electric vehicles

Multifunctional structural battery introduces an innovative approach integrating the energy storage capacity with robust mechanical performance. This novel structure design holds significant promise for electric vehicles (EVs) by reducing vehicle weight, optimizing space utilization, and consequently enhancing fuel efficiency while lowering greenhouse gas emissions. This thesis aims to conduct a numerical study investigating the mechanical behavior of multifunctional structures incorporating lithium-ion polymer batteries under various external loadings, such as tension, compression, three-point bending, and impact, for providing reliable health evaluation of structural batteries. The numerical analysis was performed using commercial software ABAQUS/CAE, and validation of FE models was conducted by comparing numerical results with experimental data from the literature. This comparison demonstrated a good agreement between the numerical and experimental findings. The outcomes of the numerical study reveal that the alterations in the mechanical properties of the multifunctional structure caused by the insertion of batteries depend on the specific configurations of the structure, such as battery quantity and arrangement, interfacial bond quality, and loading conditions. The strength and modulus of sandwich composites with form core exhibited minimal sensitivity to embedded batteries, maintaining a favorable trade-off between load-bearing capacity and energy storage capability. In contrast, the composite laminate structure still had room for mechanical and electrical performance improvement. Further investigation into the impact of resin-rich zones existing at the interface between the battery and surrounding surface highlighted a potential positive effect on the structural performance.

Le batterie strutturali multifunzionali introducono un approccio innovativo che integra la capacità di accumulo di energia con robuste prestazioni meccaniche. Questo nuovo design di struttura è molto promettente per i veicoli elettrici (EV), in quanto riduce il peso del veicolo, ottimizza l'utilizzo dello spazio e, di conseguenza, migliora l'efficienza del carburante, riducendo le emissioni di gas serra. Questa tesi si propone di condurre uno studio numerico che esamini il comportamento meccanico di strutture multifunzionali che incorporano batterie ai polimeri di litio sotto vari carichi esterni, come tensione, compressione, flessione a tre punti e impatto, per fornire una valutazione affidabile della salute delle batterie strutturali. L'analisi numerica è stata eseguita utilizzando il software commerciale ABAQUS/CAE e la validazione dei modelli FE è stata condotta confrontando i risultati numerici con i dati sperimentali della letteratura. Il confronto ha dimostrato un buon accordo tra i risultati numerici e quelli sperimentali. I risultati dello studio numerico rivelano che le alterazioni delle proprietà meccaniche della struttura multifunzionale causate dall'inserimento delle batterie dipendono dalle specifiche configurazioni della struttura, come la quantità e la disposizione delle batterie, la qualità del legame interfacciale e le condizioni di carico. La resistenza e il modulo dei compositi sandwich anima in schiuma ha mostrato una sensibilità minima alle batterie incorporate, mantenendo un compromesso favorevole tra capacità di carico e capacità di accumulo di energia. Invece, la struttura laminata composita offre ancora spazio per migliorare le prestazioni meccaniche ed elettriche. Ulteriori indagini sull'impatto delle zone ricche di resina presenti all'interfaccia tra la batteria e la superficie circostante hanno evidenziato un potenziale effetto positivo sulle prestazioni strutturali.