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• parallelization system
• zebra battery
• sodium metal halide battery
• electrical model
• reliability

Versione italiana:
Il mercato delle batterie è in continua crescita. La tipologia di batterie più utilizzate è agli Ioni di Litio, questo grazie alle sue ottime prestazioni. Ma negli ultimi anni la fornitura di litio sta diventando un problema. Per mitigare questo problema, dove possibile è necessario usare tecnologie alternative. Nelle applicazioni stazionarie le densità di energia e di potenza richieste sono meno elevate rispetto altre applicazioni. In questo tipo di applicazione batterie meno performanti si sono rivelate alternative interessanti. Le batterie Sodio-Cloruri Metallici, ad esempio, hanno una densità energetica paragonabile a quelle al Litio. Ma sono composte da materiali più economici e abbondanti in natura. Le batterie Sodio-Cloruri Metallici non sono attualmente diffuse per alcune loro limitazioni. La prima limitazione risiede negli algoritmi di controllo. Per questo tipo di batterie: non esiste un modello elettrico in grado di fare previsioni accurate sul loro comportamento. In questa tesi, il miglior modello presente in letteratura viene migliorato per raggiungere un’elevata accuratezza in più condizioni di lavoro diverse, rispetto al precedente. Il nuovo modello è in grado di prevedere il comportamento della batteria in tutto l'intervallo di temperature di funzionamento. Questo nuovo modello è sei volte più accurato alle alte temperature rispetto a quello riportato in letteratura. Un altro miglioramento del modello è la riduzione della potenza computazionale richiesta. Il nuovo modello è otto volte più veloce da simulare.
La seconda limitazione di queste batterie è l’affidabilità. Le celle hanno un'affidabilità di 95% a 10 anni lavorativi. L'impatto di questa affidabilità sulle batterie composte da centinaia di celle non è descritto in letteratura. Con il modello migliorato è stata sviluppata una procedura per calcolare l'affidabilità della batteria. Questa procedura utilizza l'analisi teorica per stimare la probabilità dei guasti e utilizza simulazioni della batteria per calcolare il degrado delle prestazioni dovuta ai guasti. Con questa procedura vengono analizzate 4 batterie commerciali. Questa analisi evidenzia un problema di affidabilità. Le batterie hanno meno del 66% di probabilità di rilasciare almeno il 75% dell'energia nominale dopo 10 anni di funzionamento. Questo scarso risultato deriva dal sistema di parallelizzazione utilizzato nelle batterie commerciali. Il sistema di parallelizzazione è usato per mettere le celle in parallelo e aumentare la capacità della batteria. Nelle batterie commerciali viene usato un circuito che funziona come un diodo ideale, così da garantire la zona di lavoro sicura delle celle.
Per superare questa scarsa affidabilità vengono proposti e analizzati 3 nuovi sistemi di parallelizzazione. Il primo sistema di parallelizzazione proposto è basato su switch. Questo sistema sostituisce il diodo commerciale con interruttori. L'interruttore consente al sistema di gestione della batteria di isolare sezioni della batteria quando necessario. Questo sistema ha dimostrato un'affidabilità di 95% in una batteria che raggiunge meno del 30% di affidabilità con il sistema di parallelizzazione commerciale. Un altro sistema proposto è basato su DC/DC. Questo sistema utilizza complessi e costosi DC/DC bidirezionali ad alta efficienza per collegare le celle. Con questo sistema l'affidabilità raggiunge il 100%. Questa elevata affidabilità è dovuta al fatto che ora la batteria può sempre utilizzare tutta l'energia rimanente. Ma il complesso e costoso DC/DC pone nuovi problemi, ad esempio l'affidabilità del DC/DC stesso non può essere trascurata. Per questo motivo è stata sviluppata un'altra soluzione di parallelizzazione basata su DC/DC. Quest'ultima soluzione si basa sul convertitore Input Series/Output Parallel Partial Power DC/DC. Questi convertitori sono in grado di gestire la condivisione della corrente all'interno della batteria senza gestirne tutta la potenza. La limitata potenza gestita consente la scelta di un semplice convertitore con componenti a bassa potenza. Inoltre, l’efficienza del convertitore non è importante, solo una piccola percentuale della potenza è influenzata dall’efficienza, aumentando l’efficienza globale del sistema. Questo sistema raggiunge la stessa affidabilità dell'altro sistema basato su DC/DC con un convertitore più semplice ed economico.

English version:
The recent and diffused trends to green energy transition and electrification in many fields have led to a rapid growth of the battery market. The Lithium-Ion batteries are the most used devices, thanks to their excellent performance. At the same time, the Lithium supply may become a problem to satisfy the increased demand. Some alternative battery technologies are needed to mitigate this problem. In stationary applications, the energy and power density are less demanding, and then, less-performing batteries became interesting alternatives. The Sodium-Metal Halide batteries, for example, have an energy density comparable with the Lithium ones and are composed of cheaper materials abundant in nature. However, the Sodium-Metal Halide Batteries show some issues that limit their diffusion. The first one is introduced by the battery control algorithms that are not able to completely exploit the battery performance. A model-based approach can improve the performance of the battery control algorithms without strongly increasing their complexity. Unfortunately, an electrical model capable of making accurate predictions of Sodium-Metal Halide Battery behaviors is not yet presented. In this thesis, the state-of-the-art electrical model is improved to reach higher accuracy in larger working conditions. The new model is able to predict the battery behaviors over all the working temperature range. This new model is six times more accurate at high temperatures than the literature one. Another improvement of the model is the reduction of the required computational effort, which is eight times faster to simulate than the literature one.
The second main limitation to the Sodium-Metal Halide Battery diffusion is the low reliability. The elementary battery cells have a reliability of 95% at 10 working years. Moreover, the impact of faulty cells in a battery composed of hundreds of cells is not completely analyzed. A novel theoretical/simulative procedure to evaluate Sodium-Metal Halide battery reliability is presented in this thesis. This procedure uses theoretical analysis to estimate the probability of each possible faulty cell distribution and uses a simulation platform of the battery to evaluate the battery performance degradations of each possible distribution. This approach is then carried out to estimate the battery reliability of four commercial batteries highlighting that the batteries have less than 66% of probability to maintain at least 75% of the nominal energy after 10 working years. Moreover, the analysis points out that the parallelization system used in commercial batteries to put in parallel the strings of cells strongly reduces the usable capacity of a battery with faulty cells. In the commercial battery the cell strings are parallel connected with a parallelization system based on a circuit that works like an ideal diode. This circuit is used to avoid recirculation current that could flow from more charged strings to less charged ones.
Three novel parallelization systems to improve the battery usable capacity in presence of faulty cells are proposed and analyzed in this work. The first one is based on switch circuits that allow the Battery Management System to isolate particular battery strings when needed. This system has improved reliability to 95% in the commercial battery that showed a reliability less than 30% with the commercial parallelization system. Another system discussed in this work is based on DC/DC converters. This system uses complex and expensive high-efficiency high-power bidirectional DC/DC converters to connect the battery strings in parallel. The battery reliability reaches a value around 100% with this system, that allows the battery management system to use all the stored energy in the cells. On the other hand, the DC/DC converters should be able to manage a maximum power even higher than that of the string, making this solution complex and expensive. Moreover, the reliability of the DC/DC converters cannot be neglected. Finally, a different DC/DC converter-based parallelization solution was investigated. This last one is based on Input Series/Output Parallel Partial Power DC/DC converters that can manage the current share among the battery strings without managing all the string power. The lower power required makes the converter simpler and made with lower-power components. Moreover, the converter efficiency is less important than the previous DC/DC converter-based solution because only a small portion of the string power goes through the DC/DC converter. In conclusion, this system reaches the same reliability as the classic DC/DC-based system with a simpler and cheaper converter.