Lithium-ion battery electro-thermal modeling for battery-pack sizing

Lithium-ion batteries have become the most prevalent technology for storing electrical energy. Because of their flexibility and reliability, they are used in a wide range of applications including portable electronics, medical equipment and power tools. Due to their superiority over other alternatives, lithium-ion batteries are considered essential for the upcoming transition to electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), the future of urban mobility. The multifaceted electrification process we are witnessing calls for Li-ion cells with different requirements in terms of energy density (amount of energy the cell can store per unit weight) and power density (i.e., how quickly this energy can be dispensed). Optimal cell selection and model-based battery pack sizing are the two most important aspects in designing high-performance, reliable, and safe battery packs for electric vehicles and hybrid-electric aircraft, one of the latest frontiers of the electric transition. This thesis discusses model-oriented testing and experimental identification of grey-box models for high-power Li-ion cells, and the optimal sizing a battery pack for a hybrid-electric helicopter application. The first part discusses in detail an experimental campaign developed and aimed at characterizing the static properties (such as capacitance and open-circuit voltage) and dynamic properties (such as resistance and impedance) of a high power density pouch cell. Then, the data obtained are used to identify electrical grey-box models, such as the Equivalent Circuit Model (ECM), and lumped-parameters thermal models, designed to simulate the voltage and temperature dynamics of the cell subjected to a varying load. Finally, the models are used to size the battery pack of a hybrid-electric helicopter: for this purpose, an optimization algorithm has been developed to identify the optimal battery pack architecture, in terms of cells in series and parallel, that can guarantee the energy and power demand while minimizing the battery weight. The algorithm includes electro-thermal simulation of cells discharge, using previously characterized models, during an operational mission of the aircraft. The optimization results suggest both a recommended electrical architecture and an optimal control temperature of the battery pack to ensure power performance and thermal safety at the same time. The latter information can be crucial for a following design of the battery's Thermal Management System (TMS).

Le batterie agli ioni di litio sono diventate la tecnologia più diffusa per immagazzinare energia elettrica. Grazie alla loro flessibilità e affidabilità, sono utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui elettronica portatile, apparecchiature mediche e utensili elettrici. Grazie alla loro superiorità rispetto ad altre alternative, le batterie agli ioni di litio sono considerate essenziali per l'imminente transizione verso i veicoli elettrici (EV) e ibridi (HEV), il futuro della mobilità urbana. Il processo di elettrificazione poliedrico a cui stiamo assistendo richiede celle agli ioni di litio con requisiti diversificati in termini di densità energetica (quantità di energia che la cella può immagazzinare per unità di peso) e densità di potenza (cioè la velocità con cui questa energia può essere erogata). Una selezione accurata della cella e un dimensionamento model-based del sono due degli aspetti più importanti nella progettazione di pacchi batteria ad alte prestazioni, affidabili e sicuri per veicoli elettrici e velivoli ibridi-elettrici, una delle ultime frontiere della transizione elettrica. Questa tesi tratta dell testing, dell'identificazione sperimentale di modelli grey-box per celle Li-ion ad alta potenza e del dimensionamento ottimale di un pacco batteria per un'applicazione di elicottero ibrido-elettrico. La prima parte descrive in dettaglio una campagna sperimentale sviluppata e finalizzata alla caratterizzazione delle proprietà statiche (come la capacità e la tensione a circuito aperto) e dinamiche (come la resistenza e l'impedenza) di una cella pouch ad alta densità di potenza. I dati ottenuti sono poi utilizzati per identificare modelli elettrici grey-box, come il modello a circuito equivalente (ECM), e modelli termici a parametri concentrati, pensati per simulare le dinamiche di tensione e temperatura della cella sottoposta a un carico variabile. Infine, i modelli sono utilizzati per dimensionare il pacco batterie di un elicottero ibrido-elettrico: a tal fine, è stato sviluppato un algoritmo di ottimizzazione per identificare l'architettura ottimale del pacco batterie, in termini di celle in serie e in parallelo, in grado di garantire la richiesta di energia e potenza minimizzando il peso della batteria. I risultati dell'ottimizzazione suggeriscono un'architettura elettrica raccomandata e una temperatura di controllo ottimale del pacco batterie per garantire alte prestazioni elettriche e sicurezza termica durante il volo. Quest'ultima informazione può essere fondamentale per una successiva progettazione del sistema di gestione termica (TMS) della batteria.