Development and experimental identification of distributed thermal model for high-power Li-ion cell assembly

The rise of Lithium-ion Batteries (LiBs) has significantly reshaped the energy storage landscape, establishing this technology as the predominant in the sector. Their performance and versatility have made them an entrenched choice in many fields, such as the industry of portable electronics, renewable energy storage systems, Electric Vehicles (EVs) and Hybrid Electric Vehicles (HEVs). The next step toward an electric future is the development of high-power solutions enabling power-intense applications such as e-racing, e-bikes, aircrafts and eVTOLs. Pouch-type cells, in particular, are proving to meet these needs, however, they are less mechanically and thermally stable than their cylindrical counterparts and require specific containment structures to avoid excessive cell-breathing, protect their structure, and ensure electrical performance. Moreover, these type of batteries are subject to important thermal dynamics since high C-Rates produce significant thermal gradients and high temperatures that impact the battery’s performance, safety and overall lifespan. In this context, accurate thermal models are indispensable for simulating temperature dynamics and heat generated by cells, monitoring the performance of battery packs to predict thermal runaways, sizing and controlling cooling systems, and so on. In this thesis a Distributed Thermal Model (DTM) of a Pouch cell and its laboratory containment fixture is developed, its parameters are identified and validated and then a comparison with a simpler version with lumped parameters is carried out. The model allows to have a complete overview of the temperature distribution and evolution all over the surface of the battery and of the other components of the special built setup. The model is identified and validated through high current profiles, which are effective in exciting the thermal dynamics of the cell and setup components.

La diffusione delle batterie al litio-ion (LiB) ha significativamente ridefinito il panorama dell' accumulo dell'energia, affermando questa tecnologia come predominante nel settore. Le loro prestazioni e versatilità le hanno rese una scelta consolidata in molteplici settori, come l'industria dell'elettronica portatile, i sistemi di accumulazione di energia rinnovabile, i veicoli elettrici (EVs) e i veicoli ibridi elettrici (HEVs). Il prossimo passo verso un futuro elettrico è lo sviluppo di soluzioni ad alta potenza che consentano applicazioni ad alta intensità di potenza come le competizioni di e-racing, e-bike, aeromobili elettrici e eVTOL. Le celle di tipo pouch, in particolare, stanno dimostrando di soddisfare ampiamente queste esigenze; tuttavia, sono meno stabili dal punto di vista meccanico rispetto alla loro controparte cilindrica e richiedono specifiche strutture di contenimento per evitare una respirazione eccessiva delle celle, proteggere la loro struttura e garantire le adeguate prestazioni. Inoltre, questi tipi di batterie sono soggetti a importanti dinamiche termiche, poiché elevati C-Rate producono significativi gradienti termici e alte temperature che influiscono sulle prestazioni, sicurezza e vita complessiva della batteria. In questo contesto, modelli termici accurati sono indispensabili per simulare le dinamiche di temperatura e il calore generato dalle celle, monitorare le prestazioni dei pacchi batteria per prevedere il surriscaldamento termico, dimensionare e controllare i sistemi di raffreddamento, e così via. In questa tesi viene sviluppato un Modello Termico Distribuito (DTM) di una cella di tipo pouch e della sua struttura di contenimento, i suoi parametri vengono identificati e validati e successivamente viene effettuato un confronto con una versione più semplice a parametri concentrati. Il modello consente di avere una panoramica completa della distribuzione e dell'evoluzione della temperatura su tutta la superficie della batteria e sugli altri componenti dell'allestimento apositamente costruito. Il modello è identificato e validato attraverso profili ad alta corrente, che sono efficaci nello stimolare le dinamiche termiche della cella e dei componenti dell'allestimento.