• battery management system
• lithium-ion battery
• sistemi di monitoraggio delle batterie
• batterie al litio
• bms

Versione italiana:
L'uso delle batterie agli ioni di litio come sistema di accumulo energetico sta permeando un numero crescente di applicazioni: dai piccoli dispositivi portatili, fino alla mobilità elettrica e alle applicazioni stazionarie. Questa crescente diffusione è resa possibile grazie ai vantaggi che la chimica agli ioni di litio offre rispetto ad altre tecnologie di batterie in termini di densità di potenza ed energia, tasso di autoscarica e numero di cicli effettuabili. Tuttavia, l’utilizzo di questa chimica al di fuori dei corretti intervalli di tensione, corrente e temperatura comporta una degradazione delle batterie stesse e, soprattutto, generazione di gas, rischi di fuga termica e conseguenti situazioni di pericolo. Per questa ragione, le batterie agli ioni di litio devono essere dotate di un sistema di gestione, noto come Battery Management System (BMS), che ne monitora e controlla il funzionamento in maniera sicura ed efficace. Compito del BMS è misurare le tensioni, le temperature e la corrente delle celle, stimare lo stato interno delle celle della batteria e, infine, intervenire isolando la batteria dall’applicazione in caso vengano rilevate situazioni di pericolo.
Tuttavia, la proliferazione delle batterie agli ioni di litio in una sempre maggiore varietà di applicazioni porta a nuove sfide per i BMS. Infatti, oltre ai problemi convenzionali legati alla sicurezza e alla stima dello stato della batteria, le nuove applicazioni introducono la necessità di algoritmi di gestione più complessi ed approfonditi, come nel caso delle batterie di seconda vita, ovvero batterie riutilizzate in applicazioni diverse da quella originaria, e aggiungono nuove specifiche di sicurezza informatica, prima inesistenti, al BMS stesso. Da ciò si deduce che i BMS nel prossimo futuro si evolveranno in sistemi sempre più complessi, in grado di fornire funzionalità avanzate su misura per ogni specifica applicazione. Questa tesi di dottorato delinea le nuove sfide affrontando alcune di queste funzionalità avanzate. In particolare, in questo lavoro vengono analizzati seguenti argomenti: la misura della deformazione di celle agli ioni di litio, a sacchetto e prismatiche, per la stima dello stato di carica e di salute sfruttando il concetto di sensor-fusion, e l’utilizzo e la scelta ottimale di architetture di bilanciamento attivo nell’ equalizzazione dinamica di batterie di seconda vita. Infine, viene proposto un emulatore di batteria come strumento di test hardware-in-the-loop per accelerare e facilitare le fasi di sviluppo dei BMS presenti e futuri.
La deformazione meccanica di una cella al litio è intrinsecamente legata ad aspetti di sicurezza e ad altri elementi chiave quali lo stato di carica, la temperatura interna e l'invecchiamento. Inoltre, un significativo aumento di spessore da parte della cella può indicare una condizione di abuso o un guasto interno della cella con anticipo rispetto ad una eventuale fuga termica. Pertanto, la misura della deformazione si candida ad essere uno strumento molto promettente da integrare alle misure tradizionali effettuate dal BMS, allo scopo di migliorare la sicurezza e perfezionare l'accuratezza degli algoritmi di stima dello stato attraverso l'attuazione di tecniche di sensor-fusion. Per raggiungere questi obiettivi, durante il dottorato sono state sviluppate delle nuove soluzioni, economiche e facilmente implementabili, che permettono la misura dello spessore della batteria durante tutte le sue operazioni. Queste soluzioni sfruttano due sensori dilatometrici monodimensionali commerciali: un sensore di prossimità a infrarossi e un sensore che sfrutta il meccanismo delle correnti parassite. Questi sensori sono stati caratterizzati e validati in un setup sperimentale molto simile allo scenario applicativo in un BMS reale. In particolare, sono stati studiati gli effetti della variazione della temperatura e dello stato di carica su celle agli ioni di litio nuove e invecchiate. I risultati preliminari ottenuti con queste soluzioni a basso costo sono in accordo con la letteratura, dove però vengono solitamente utilizzati sistemi molto più costosi e ingombranti, dimostrando così che la soluzione proposta è in grado di misurare la deformazione della cella con una buona sensibilità.
L'equalizzazione della carica immagazzinata in tutte le celle che compongono il pacco batteria è un'altra funzione fondamentale del BMS. Tuttavia, questo compito diventa molto più impegnativo nelle applicazioni che utilizzano batterie di seconda vita, in cui le celle presentano, a causa dell'invecchiamento, grandi differenze di capacità. Questa elevata disomogeneità nelle capacità delle singole celle impone l'utilizzo di un processo di equalizzazione dinamica, ovvero l’attivazione della procedura di bilanciamento durante il normale funzionamento della batteria al fine di massimizzare l'utilizzo della carica immagazzinata. Infatti, se non venisse implementata nessuna procedura di equalizzazione dinamica della carica, la massima capacità estraibile dal pacco batteria sarebbe limitata a quella della cella meno performante. Per ottenere questo risultato, il processo di equalizzazione dinamica utilizza un sistema di bilanciamento attivo dell'energia in grado di gestire alte correnti, permettendo, dunque, di trasferire tra le celle della batteria una quantità di carica sufficiente ad equalizzare le differenze di capacità tra celle. Questa tesi introduce una metodologia per studiare e confrontare diverse topologie di sistemi di bilanciamento adatti alle batterie di seconda vita con requisiti di equalizzazione dinamica mediante una piattaforma simulativa. L'analisi comprende le topologie di bilanciamento attivo Adjacent Cell-to-Cell, Direct Cell-to-Cell, Cell-to-Pack e Pack-to-Cell. Lo studio si concentra su un caso di batteria di seconda vita composta da 10 celle collegate in serie con valori di capacità uniformemente distribuiti entro il 15 % del valore nominale. I risultati ottenuti utilizzando la piattaforma da noi sviluppata permettono la comparazione delle quattro principali topologie in termini della massima carica che teoricamente può essere estratta dalla batteria presa in esame.
Con l'aumento della complessità dei BMS, è altresì aumentata la necessità di test funzionali approfonditi per lo sviluppo e la convalida delle funzionalità avanzate dei BMS. Tuttavia, l'utilizzo di una batteria reale in queste fasi di progettazione e validazione comporta scarsa controllabilità e ripetibilità dei test, e soprattutto numerosi rischi dovuti alla natura stessa delle batterie agli ioni di litio. Gli emulatori di batteria e l'approccio hardware-in-the-loop possono invece accelerare e aumentare la sicurezza delle fasi di test funzionale e di validazione degli algoritmi, consentendo quindi di svolgere un test completo ed approfondito del BMS in un ambiente privo di batteria. In questa tesi è proposta la progettazione e la caratterizzazione di un emulatore di batterie modulare e a basso costo, in grado di emulare tensione, temperatura e corrente delle celle. Inoltre, l’emulatore proposto in questo elaborato è stato validato in un caso studio nel quale sono state testate le funzioni di sicurezza e l’algoritmo di bilanciamento di un BMS preso in esame. La validazione del BMS ha provato che la piattaforma proposta facilita i test di validazione di BMS sia personalizzati che commerciali, raggiungendo un interessante equilibrio tra prestazioni e costi. La natura open-source di questa piattaforma la rende particolarmente interessante per i laboratori di piccole dimensioni impegnati nello sviluppo e nella sperimentazione di BMS, favorendo la collaborazione all'interno della comunità scientifica.
In sintesi, l’indagine approfondita sulle sfide legate ai BMS e le possibili soluzioni esposta in questa tesi esplora il crescente panorama delle applicazioni delle batterie al litio, con lo scopo di garantirne un utilizzo sicuro ed efficace ed affrontando contestualmente le complessità emergenti legate alle batterie di seconda vita e l’importanza di ottimizzare il processo di sviluppo del BMS attraverso tecniche di emulazione.

English version:
The use of lithium-ion technology in energy storage systems is permeating an increasing number of applications, ranging from small portable devices to electric mobility and stationary applications. This diffusion is made possible by the advantages of lithium-ion chemistry compared to other battery technologies, in terms of power and energy densities, self-discharge rate, and cycle life. However, as it is well known, this chemistry is very sensitive to operating outside its safe operating area. Therefore, lithium-ion batteries are equipped with a Battery Management System (BMS) that is mandatory to monitor and control the battery operation safely and effectively. The BMS measures the cell voltages, temperatures, and current, and estimates the internal state of the battery cells.
The proliferation of lithium-ion batteries across different applications introduces novel challenges for BMSs. These challenges go beyond conventional concerns related to safety and state estimation and encompass emerging topics such as second-life battery utilization and cybersecurity. As a consequence, the BMSs are expected to evolve into increasingly complex systems capable of providing advanced features tailored to any specific target application. This Ph.D. thesis delves into these new challenges by addressing some of these advanced functionalities. In particular, two main topics are investigated in this Ph.D. thesis: the measure of pouch and prismatic lithium-ion battery cell deformation for state of charge and state of health estimation exploiting the sensor-fusion concept, and the performance comparison of the active balancing procedures when used in second-life battery dynamic equalization. Finally, a battery emulator is developed and proposed as a hardware-in-the-loop testing tool to speed up and facilitate the development phases of present and future BMSs.
The mechanical deformation of a cell is intrinsically linked to safety aspects and key factors like state of charge, state of health, and internal temperature. Moreover, a significant swelling of a cell could indicate an abuse condition or an occurring internal fault of the cell in advance of a possible thermal runaway. Thus, the measurement of the mechanical deformation of lithium-ion cells offers a promising opportunity for enhancing safety and refining the accuracy of state estimation algorithms through the integration of sensor fusion techniques with traditional BMS measurements. Novel cost-effective and easily implementable solutions are developed in this thesis to address these objectives, leveraging two commercial one-dimensional dilatometry sensors: an infrared proximity sensor and an eddy current-based sensor. These sensors have been characterized and validated in an experimental setup closely resembling real-world application scenarios. The effects of the temperature and the state of charge have been investigated on both new and aged lithium-ion cells using this setup, considering both pouch and prismatic cell formats. The preliminary results obtained with these low-cost solutions are in accordance with literature findings, where expensive and bulky systems are used, and prove that the proposed solution is capable of measuring the cell deformation with good sensitivity.
Equalizing the stored charge within all the cells composing the battery packs is another fundamental BMS function. However, this task becomes considerably more demanding in second-life battery applications, where substantial capacity mismatches among the cells are common. Those high mismatches impose the utilization of a dynamic equalization process, where a balancing procedure is performed during normal battery operations to maximize the utilization of the stored charge. In fact, if no balancing procedure is applied during the battery operation the performance of the battery would be limited by the less performing cell. In order to equalize the charge during the second-life battery utilization, the dynamic equalization approach requires a high-current active energy balancing system capable of transferring a quantity of charge among the battery cells considerably higher than in first-life batteries. This thesis introduces a methodology for studying and comparing various balancing system topologies suitable for second-life batteries with dynamic equalization requirements by means of a simulative platform. The analysis encompasses the Adjacent Cell-to-Cell, Direct Cell-to-Cell, Cell-to-Pack, and Pack-to-Cell active balancing topologies. The study focuses on a case study involving a second-life battery composed of 10 series-connected cells with capacity values uniformly distributed within 15% of the nominal value. The results obtained using the proposed simulative platform allow us to compare the four different balancing topologies in terms of the theoretical maximum charge that can be extracted from the case-study battery.
As the complexity of BMSs increases to introduce new features such as the dynamic equalization, or to improve the existing state estimation algorithms, the functional testing and validation phases in BMS development become more extensive and complex. Nevertheless, the utilization of real batteries in these phases entails unnecessary hazards and safety risks. Battery emulators and the hardware-in-the-loop approach permit an in-depth testing of the BMS in a battery-less environment, allowing a considerable enhancement in terms of speed and safety of the functional testing and algorithm validation phases. This work unfolds the design and characterization of a modular, low-cost multi-cell battery emulator, capable of emulating cell voltage, temperature, and current. Moreover, the developed platform emulator has been validated in a case-study scenario in which the safety function and the balancing algorithm of a custom BMS are tested. The validation has proved that the platform facilitates hardware-in-the-loop testing for both custom and commercial BMSs, achieving an appealing balance between performance and cost. The open-source nature of this platform further underscores its utility for small-scale laboratories engaged in BMS development and testing, fostering collaboration within the scientific community.
In summary, this comprehensive investigation of BMS challenges and solutions navigates the expanding landscape of lithium-ion battery applications, charting the course toward their safe and effective utilization while concurrently addressing emerging complexities in second-life batteries and optimizing the BMS development process through emulation techniques.