Characterization of Li-ion battery aging through HPPC experimental tests and equivalent circuit model

The study of aging in lithium-ion batteries by non-invasive testing methods is a key area of research in automotive applications. In particular, effective monitoring of battery aging and preventive maintenance scheduling are essential to extend battery life and improve its performance. This work presents an experimental methodology applied to two important battery chemistries and geometries: Nickel Manganese Cobalt (NMC) in prismatic cell and Lithium Iron Phosphate (LFP) in cylindrical cell, in different aging conditions: calendar (for the first sample) and aged in automotive applications (for the second sample). The approach, following a detailed preliminary analysis of the electrochemical characteristics of the tested samples, is based on an industrial and non-invasive test called Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC), which allows, through the imposition of controlled current pulses, to evaluate the voltage response of the cell and therefore to extrapolate parameters that reflect its operation in different conditions. Afterwards an equivalent circuit model using the estimated parameters has been developed on the commercial software Simulink. Finally, an analysis of the results found and in particular their correlation with the different aging phenomena has been carried out. The results contribute to a deeper understanding of the aging dynamics and support the development of optimized battery management strategies.

Lo studio dell'invecchiamento delle batterie agli ioni di litio mediante metodi di test non invasivi è un'area chiave di ricerca nelle applicazioni automobilistiche. In particolare, un efficace monitoraggio dell’invecchiamento e la programmazione della manutenzione preventiva sono essenziali per prolungare la vita della batteria e migliorarne le prestazioni. Questo lavoro presenta una metodologia sperimentale applicata a due importanti chimiche e geometrie di batterie: Nichel Manganese Cobalto (NMC) in cella prismatica e Litio Ferro Fosfato (LFP) in cella cilindrica, in diverse condizioni di invecchiamento: calendar (per il primo campione) e invecchiato in applicazioni automobilistiche (per il secondo campione). L’approccio, a seguito di una dettagliata analisi preliminare delle caratteristiche elettrochimiche dei campioni testati, si basa su un test industriale e non invasivo denominato Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC), che consente, attraverso l’imposizione di impulsi di corrente controllati, di valutare la risposta in tensione della cella e quindi di ottenere parametri che ne riflettono il funzionamento in diverse condizioni. Successivamente un modello di circuito equivalente che utilizza i parametri stimati è stato sviluppato sul software commerciale Simulink. Infine è stata effettuata un'analisi dei risultati riscontrati ed in particolare della loro correlazione con i diversi fenomeni di invecchiamento. I risultati contribuiscono a una comprensione più profonda delle dinamiche dell’invecchiamento e supportano lo sviluppo di strategie ottimizzate di gestione della batteria.