Progettazione e sviluppo di un'architettura elettronica modulare per l'analisi ed il cycling di celle Li-ion

Lithium-ion cells (Li-ion) are rechargeable batteries with the highest energy density and the highest power density on the market. Therefore this kind of battery is typically used both in consumer electronics, with the large spread of high-performance and high-consumption mobile devices, and also in the automotive industry, where there is a renewed interest in the development of hybrid / electric vehicles, offering low emissions and low operating cost. The success of the sustainable mobility strictly depends on these batteries. While they can store a large amount of charge, they can operate safely only under certain conditions of work, within clearly defined ranges of temperature and voltage. Besides they are more or less affected by aging depending on their use in charging and discharging (cycling). This process causes a progressive decrease both in the energy content (capacity) and in the power capability, since the series resistance increases. After a certain time, loss of performances leads to a system failure and an expensive battery replacement is required. The aim of the present study is the development of a compact modular instrument with a hardware platform that lets you perform a characterization of the aging of a battery, after the enforcement of fully customizable power flows in charging and discharging.Therefore it was designed a programmable power-unit, called power-core, that is able to provide or absorb a certain profile of current from the battery, based on the directives of a control unit. User can issue commands to the control unit by using a suitable on-board user interface or by using a PC workstation that can be linked to the instrument with an Ethernet connection. So the centralized management of several modules is allowed too. This work led to the implementation of a low cost prototype that is working in its essential parts. Besides it shows some interesting static and dynamic performances, especially when compared with the few existing instruments on the market that perform similar tasks but at much higher prices. Final tests were carried out to validate the instrument and they also underlined the benefits in power capability when modern supercapacitors are used in parallel to the battery.

Le celle agli ioni di litio (Li-ion) sono le batterie ricaricabili a maggior densità di energia e maggior densità potenza attualmente disponibili sul mercato. Di conseguenza il loro impiego spazia dal settore dell'elettronica consumer, con la diffusione su larga scala di dispositivi mobili sempre più dispendiosi di energia, al settore automotive, in cui vi è un rinnovato interesse per lo sviluppo di veicoli ibridi/elettrici, particolarmente promettenti per l'abbattimento delle emissioni inquinanti oltre che dei costi di esercizio. Il successo della mobilità sostenibile dipende proprio da queste batterie, le quali, pur offrendo delle indiscusse doti energetiche, possono operare in modo sicuro solo in determinate condizioni di lavoro, entro delle fasce di temperatura e tensione ben delimitate. Inoltre, a seconda del loro utilizzo in carica e scarica (cycling), esse risentono più o meno marcato del fenomeno dell'invecchiamento (aging). Questo provoca una progressiva diminuzione sia del contenuto energetico (capacità) sia della resa di potenza, con l'aumento della resistenza serie, fino a provocare un malfunzionamento dell'apparato utilizzatore, così da rendere necessaria una costosa sostituzione della stessa batteria. La ricerca oggetto del presente elaborato ha inteso dunque sviluppare uno strumento modulare e compatto dotato di una piattaforma hardware che consenta di eseguire una caratterizzazione della singola cella in termini di invecchiamento, in seguito all'imposizione di flussi di potenza in carica e scarica completamente configurabili. Si è quindi realizzata un'unità di potenza programmabile, detta power-core, capace di fornire o assorbire un determinato profilo di corrente dalla batteria in base alle disposizioni di un'unità di controllo. Quest'ultima viene comandata dall'utilizzatore dello strumento tramite un'opportuna interfaccia utente presente a bordo, oppure mediante una connessione ethernet ad una workstation (PC), per la gestione di più moduli gemelli. L'attività ha condotto alla realizzazione di un prototipo funzionante nelle sue parti essenziali ed a costi contenuti. Il prodotto risulta avere delle interessanti performance statiche e dinamiche, specie se confrontate con i pochi strumenti esistenti in commercio che sviluppano funzionalità simili ma a prezzi decisamente maggiori. Sono stati inoltre condotti dei test finali che, oltre a validare lo strumento, hanno sottolineato il beneficio ottenibile, in termini di resa di potenza, dall'impiego di moderni supercapacitor in parallelo alla cella.