Electrothermal model and simulation of an electric aircraft battery system and current state assessment of high-performance cathode materials

eVTOLs are a new class of aircraft designed to offer fast and flexible mobility solutions for regional air transportation. Several challenges must be addressed before eVTOLs become a viable transportation option. This work addresses the application of lithium batteries to eVTOLs. A detailed current state assessment of six lithium-based cathode materials is presented, with a particular emphasis on new emerging materials, their limitations and strategies to improve their performance, and a focus on specific energy, specific power, and safety. Among the currently commercialized cathode materials, lithium nickel cobalt aluminium oxides (NCA), lithium cobalt oxide (LCO), lithium manganese nickel cobalt oxide (NMC), and lithium manganese ferrophosphate (LMFP) are explored. Among materials of lower technological maturity, lithium layered oxides (LLO) and lithium manganese nickel oxides (LMNO). A battery system is then proposed according to the energy and power requirements of a flight mission for a short regional flight. The battery system is then modeled with a detailed electrothermal network in the MATLAB/Simulink environment, to assess its performance during flight. A detailed analysis of each flight phase of the mission profile is performed on the values of cells temperature, current, and voltage, in order to understand the complex evolution of the system quantities due to electrothermal interactions. The developed model is intended to be a flexible tool which can be used to approach the design of a battery and its thermal management system. Thanks to the use of look-up tables, its implementation can be performed using readily available cells datasheet without the need of a detailed cell characterization, allowing a fast comparison between different configurations and scenarios.

Gli eVTOL sono una nuova classe di velivoli progettati per offrire soluzioni di mobilità rapida e flessibile per il trasporto aereo regionale. Diverse sfide devono essere affrontate prima che gli eVTOL possano diventare una valida opzione di trasporto. Questo lavoro affronta l'utilizzo delle batterie al litio per applicazioni eVTOL. Viene presentata una valutazione dettagliata dello stato attuale di sei materiali di catodo al litio, con particolare attenzione ai nuovi materiali emergenti, le loro limitazioni e le strategie per migliorare le loro prestazioni, con un focus su energia e potenza specifica e sicurezza. Tra i materiali a catodo attualmente commercializzati, vengono esplorati gli ossidi di nichel-cobalto-alluminio di litio (NCA), l'ossido di cobalto di litio (LCO), l'ossido di nichel-cobalto-manganese di litio (NMC) e il fosfato di ferro e manganese di litio (LMFP). Tra i materiali a minore maturità tecnologica, vengono analizzati gli ossidi stratificati di litio (LLO) e gli ossidi di nichel-manganese di litio (LMNO). Viene quindi proposto un pacco batteria in base ai requisiti di energia e potenza di una missione di volo per un volo regionale breve. Il sistema di batterie viene quindi modellato nell'ambiente MATLAB/Simulink con una dettagliato modello elettrotermico, per valutarne le prestazioni durante il volo. Viene successivamente eseguita per ogni fase della missione un'analisi dettagliata dei valori di temperatura, corrente e tensione delle celle, al fine di comprendere la complessa evoluzione del sistema detrminata delle interazioni elettrotermiche. Il modello sviluppato è destinato ad essere uno strumento che può essere utilizzato per affrontare la progettazione di una batteria e del suo sistema di gestione termica. Grazie all'utilizzo di tabelle di lookup, la sua implementazione può essere eseguita utilizzando parametri facilmente reperibili, senza la necessità di una caratterizzazione dettagliata delle celle, consentendo un rapido confronto tra diverse configurazioni e diversi scenari.