Development of a novel experimental and modelling methodology for characterizing thermal properties of lithium-ion battery cells

Lithium-ion batteries are a key technology for energy storage applications, particularly in electric vehicles (EV) and renewable energy systems. However, their thermal behavior significantly affects performance, safety, and aging mechanisms. Accurate thermal characterization is essential to improve battery management and enhance longevity. This work presents an experimental methodology for the thermal characterization of prismatic lithium-ion batteries, focusing on the estimation of key thermal parameters such as specific heat capacity and thermal conductivity. Both external and internal heat generation methods were employed, using Fiber Bragg Gratings (FBGs) for precise temperature measurements. The experimental results were then used to develop an equivalent circuit electrothermal model, integrating thermal and electrochemical behaviors to simulate temperature evolution under different operating conditions. The outcomes provide valuable insights into heat generation and dissipation mechanisms, supporting the optimization and improving the reliability of thermal management strategies of lithium-ion batteries in real-world applications.

Le batterie agli ioni di litio sono una tecnologia chiave per le applicazioni di accumulo di energia, in particolare nei veicoli elettrici e nei sistemi di energia rinnovabile. Tuttavia, il loro comportamento termico influisce significativamente sulle prestazioni, sulla sicurezza e sui meccanismi di invecchiamento. Una caratterizzazione termica accurata è essenziale per migliorare la gestione della batteria e aumentarne la longevità. Questo lavoro presenta una metodologia sperimentale per la caratterizzazione termica di batterie agli ioni di litio prismatiche, concentrandosi sulla stima di parametri termici chiave come la capacità termica specifica e la conducibilità termica. Sono stati impiegati metodi di generazione di calore sia esterni che interni, utilizzando la fibra ottica (Fiber Bragg Gratings, FBG) per misurazioni precise della temperatura. I risultati sperimentali sono stati successivamente utilizzati per sviluppare un modello elettrotermico a circuito equivalente, integrando i comportamenti termici ed elettrochimici per simulare l'evoluzione della temperatura in diverse condizioni operative. I risultati forniscono preziose informazioni sui meccanismi di generazione e dissipazione del calore, supportando l'ottimizzazione e il miglioramento dell'affidabilità delle strategie di gestione termica delle batterie agli ioni di litio nelle applicazioni reali.