Lithium-ion battery modeling and applications

Lithium-ion batteries are becoming increasingly crucial in efforts aimed at reducing reliance on fossil fuels and mitigating global warming. They have high power and energy density, as well as relatively long lifetimes. However, like all electrochemical systems, they are subjected by degradation, which can be reduced by controlling properly the battery itself. Developing effective management strategies relies on accurate electrical and thermal battery models to predict battery behavior. Additionally, monitoring and predicting battery degradation is crucial, due to its impact on performance. The interconnected nature of thermal, electrical, and degradation aspects requires the development of a general battery model capable of predicting both electrical and thermal behavior and adjusting parameters based on degradation. This thesis aims to advance the development of such a general model by conducting extensive testing on various lithium-ion batteries, analyzing the results, and constructing models based on the findings. In particular, through both frequency and time domain tests, an electrical battery model was proposed and validated in the time domain using different driving cycles. Subsequently, an electro-thermal model of a battery pack was constructed based on tests conducted at various currents. The resulting model is very simple and capable of predicting the thermal behavior of the battery pack, requiring only knowledge of the total current and ambient temperature. Furthermore, several battery cells were subjected to tests under different temperature, state of charge, and aging conditions to investigate the effects of aging on battery capacity and internal resistance. In particular, a model describing the impact of cycle and calendar aging on the open circuit voltage curve was developed. In addition, the effect of aging on the dependency of battery resistance and capacity on temperature was examined and modeled. Moreover, the presence of a hysteresis phenomenon in the battery internal resistance was discovered and analyzed across different aging and temperature conditions. Although the present thesis does not develop a general battery model, it provides analytical tools for evaluating various operating scenarios. Finally, the thesis includes practical demonstrations of battery model applications.

Le batterie agli ioni di litio stanno diventando sempre più cruciali nel ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e a mitigare il riscaldamento globale. Esse hanno un'elevata densità di potenza e di energia, oltre a una vita utile relativamente lunga. Tuttavia, come tutti i sistemi elettrochimici, sono soggette a degrado, che può essere ridotto controllando adeguatamente la batteria stessa. Lo sviluppo di strategie di gestione efficaci si basa su modelli elettrici e termici accurati della batteria, al fine di prevederne il comportamento. Inoltre, monitorare e prevedere il degrado della batteria è cruciale anche per migliorarne le prestazioni. La natura interconnessa degli aspetti termici, elettrici e di degrado richiede lo sviluppo di un modello generale della batteria capace di prevedere sia il comportamento elettrico che quello termico e di adeguare i parametri in base al degrado. Questa tesi mira ad avanzare nello sviluppo di un tale modello globale conducendo test estensivi su varie batterie agli ioni di litio, analizzando i risultati e costruendo modelli basati sui risultati ottenuti. In particolare, attraverso test sia nel dominio della frequenza che del tempo, è stato proposto un modello elettrico della batteria, validato nel dominio del tempo utilizzando diversi cicli di guida. Successivamente, è stato costruito un modello elettro-termico di un pacco batteria basato su test condotti a diverse correnti. Il modello risultante è molto semplice e capace di prevedere il comportamento termico del pacco batteria, con la sola conoscenza della corrente totale e della temperatura ambiente. Inoltre, diverse celle della batteria sono state sottoposte a test a diverse temperature, stato di carica e invecchiamento per studiare gli effetti dell'invecchiamento sulla capacità della batteria e sulla resistenza interna. In particolare, è stato sviluppato un modello che descrive l'impatto dell'invecchiamento ciclico e calendariale sulla curva della tensione di circuito aperto. Inoltre, è stato esaminato e modellato l’effetto dell’invecchiamento sulla dipendenza della resistenza e della capacità dalla temperatura. Inoltre, è stato scoperto un fenomeno di isteresi nella resistenza interna della batteria; tale fenomeno è stato analizzato in diverse condizioni di invecchiamento e temperatura. Sebbene la presente tesi non sviluppi un modello generale di batteria, fornisce strumenti analitici per valutare vari scenari operativi. Infine, la tesi include dimostrazioni pratiche delle applicazioni dei modelli di batteria.