The impact of ambient temperature on battery degradation and performances in electric vehicles: a quantitative analysis

The electrification of public transportation represents a key strategy for reducing greenhouse gas emissions and improving energy efficiency in urban environments. At the core of electric vehicle operation lies the lithium-ion battery, whose performances, lifetime, and efficiency are strongly influenced by operating temperature. This thesis highlights the interplay between temperature, battery aging, and vehicle energy performances, emphasizing the importance of accounting for temperature dependent battery energy losses in long term electric vehicle energy analyses. We investigate the effects of ambient temperature on battery degradation and vehicle energy performance. For this purpose, a semi-empirical cyclic aging model is combined with a simplified vehicle energy model, analyzing the total energy consumption, the dynamic evolution of battery temperature, current and state of charge under repeated charge-discharge cycles. Simulations are performed at constant vehicle speed and flat road conditions. Two ambient temperatures, -15°C and 30°C, are analyzed to represent extreme cold and warm operating scenarios. Results show that a temperature of -15°C increases internal resistive losses and energy consumption, whereas a temperature of 30°C accelerates battery degradation but improves overall performances.

L’elettrificazione del trasporto pubblico rappresenta una strategia chiave per ridurre le emissioni di gas serra e migliorare l’efficienza energetica negli ambienti urbani. Al cuore del funzionamento dei veicoli elettrici risiede la batteria agli ioni di litio, le cui prestazioni, vita utile, ed efficienza sono fortemente influenzate dalla temperatura di esercizio. Questa tesi mette in risalto l'interdipendenza tra temperatura ambiente, degradazione della batteria e prestazioni energetiche del veicolo, enfatizzando l'importanza di considerare le perdite energetiche della batteria dovute alla temperatura nell'analisi energetica del veicolo elettrico sul lungo termine. Investighiamo gli effetti della temperatura ambiente sulla degradazione della batteria e sulle prestazioni del veicolo. A tal fine, un modello semi-empirico di invecchiamento ciclico viene integrato con un modello energetico semplificato del veicolo, analizzandone il consumo energetico totale, l’evoluzione dinamica della temperatura della batteria, della corrente e dello stato di carica durante cicli ripetuti di carica e scarica. Le simulazioni sono condotte a velocità costante e su strada pianeggiante. Due temperature ambiente, -15°C e 30°C, sono analizzate per rappresentare scenari di funzionamento estremamente freddi e caldi. I risultati mostrano che una temperatura di -15°C aumenta le perdite resistive e il consumo energetico, mentre una temperatura di 30°C accelera la degradazione della batteria ma migliora le prestazioni complessive.