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VERSIONE IN ITALIANO:
I sistemi di accumulo d’energia basati su celle al litio sono sempre accompagnati da un battery management system (BMS) cioè un sistema elettronico ideato per far lavorare la batteria in maniera sicura, efficiente e il più a lungo possibile.
I BMS attuali monitorano con dei sensori una serie di parametri su tutte le celle del pacco batterie, tipicamente tensione, corrente e temperatura e li utilizzano per valutare lo stato di salute e lo stato di carica delle celle costituenti i pacchi batteria.
Il presente elaborato descrive la realizzazione, caratterizzazione e verifica di due sistemi per la valutazione della deformazione di celle al litio nell’ottica di aggiungere questa funzionalità a quelle di un BMS al minor costo possibile.
Stimare la deformazione di celle al litio consente di ottenere informazione sulla generazione di prodotti chimici indesiderati, sulla generazione di gas, sul loro stato di carica e di salute. Ciascuno di questi elementi può potenzialmente produrre deformazioni di punti percentuali sulle dimensioni della cella.
Molti dei risultati in letteratura sono stati ottenuti tramite l’utilizzo di costose apparecchiature da laboratorio ed emerge chiaramente l’esigenza di progettare un sistema a basso costo capace di trasportare queste funzionalità su un BMS.
Per decidere come impostare il setup sperimentale dal punto di vista meccanico è stato effettuato uno studio degli articoli presenti in letteratura tenendo a mente le esigenze di un pacco batteria reale.
Una volta stabilito il tipo di setup sono stati considerati i vantaggi e gli svantaggi della scelta di misurare una grandezza piuttosto che un’altra ed è stato deciso di misurare una distanza. Inoltre sono stati selezionati due sensori capaci di sfruttare le potenzialità di quel setup, uno ottico basato su chip VCNL3040 e uno induttivo basato su chip LDC1614.
Il sensore ottico si basa sulla misurazione dell’intensità luminosa riflessa da un bersaglio ottico.
Il sensore induttivo si basa sulla misurazione della frequenza di oscillazione di un gruppo LC parallelo la cui induttanza varia in base alla vicinanza di un bersaglio conduttivo su cui vengono indotte delle correnti parassite.
Ciascuno di questi sensori è stato inserito in un sistema hardware e contornato da un’interfaccia software per renderlo capace di comunicare con un processore o con un computer.
È stato realizzato un PCB per ospitare il sensore ottico e un PCB per gestire la presenza di più sensori ottici con lo stesso indirizzo I2C. Per la comunicazione con il computer è stata usata la evaluation board dell’MCP2221A con libreria dedicata in ambiente LabVIEW.
Per il sensore induttivo è stato scelto di utilizzare la evaluation board LDC1614EVM che è dotata di una porta USB per il collegamento verso il computer. È stato scritto un programma in ambiente LabVIEW per comunicare con essa.
Sono stati prodotti dei sensori basati su induttanze su PCB e i sensori sono stati caratterizzati sfruttando una stampante 3D presente in laboratorio, opportunamente modificata tramite pezzi progettati in ambiente FreeCAD e stampati sulla stessa per fungere da posizionatore elettronico. Per il comando della stampante è stata implementata un’interfaccia software basata su ambiente LabVIEW.
Infine sono stati svolti dei test per misurare la deformazione al variare dello stato di carica e la deformazione al variare della temperatura.
I test al variare della carica hanno dato risultati ripetibili e l’approccio seguito appare promettente.
Anche i test al variare della temperatura hanno dato risultati interessanti, ma necessitano di ulteriori approfondimenti per una convincente giustificazione del comportamento registrato.

ENGLISH VERSION:
Energy storage systems based on lithium cells are always supervised by a battery management system (BMS) which is an electronic system designed to make the battery work safely, efficiently and for as long as possible.
Current BMS monitor a certain number of parameters on all the cells of a battery pack, tipically voltage, current and temperature and they use them to assess the state of charge and state of health of the pack.
This paper describes the design, construction, characterization and verification of two systems for evaluating the deformation of lithium cells in order to add this functionality to those of a BMS at the lowest possible cost.
Estimating the deformation of lithium cells allows to obtain information on the generation of unwanted chemicals, on the generation of gas, on their state of charge and health. Each of these elements can potentially produce percentage point deformations on the cell size.
Many of the results in the literature have been obtained through the use of expensive laboratory equipment and the need to design a low-cost system capable of transporting these functions on a BMS clearly emerges.
A study of the articles in the literature was carried out to decide how to set the experimental setup from a mechanical point of view, keeping in mind the needs of a real battery pack.
Once the type of setup was established, the advantages and disadvantages of choosing to measure one physical quantity over another were considered and it was decided to measure a distance. In addition, two sensors were selected capable of exploiting the potential of that setup, an optical one based on the VCNL3040 chip and an inductive one based on the LDC1614 chip.
The optical sensor is based on the measurement of the light intensity reflected by an optical target.
The inductive sensor is based on the measurement of the oscillation frequency of a parallel LC group whose inductance varies according to the proximity of a conductive target on which eddy currents are induced.
Each of these sensors has been inserted into a hardware system and surrounded by a software interface to make it capable of communicating with a processor or a computer.
One PCB was made for the optical sensor and one PCB based on a PCA9545A chip was made to handle the presence of multiple optical sensors with the same I2C address. The evaluation board of the MCP2221 was used to allow communication between the optical sensors and the computer. A program was written in LabVIEW to handle sensors computer communication.
For the inductive sensor it was chosen to use the LDC1614EVM evaluation board which is equipped with a USB port for connection to a computer. A LabVIEW program was written in order to communicate with it.
Sensors based on inductances on PCBs were produced and the sensors were characterized using the laboratory 3D printer which was modified through pieces designed in the FreeCAD environment and printed on it to act as an electronic positioner. A software LabVIEW interface was implemented to control the printer.
Finally, tests were carried out in order to measure the deformation linked to state of charge variations and the deformation linked to temperature variations.
State of charge vs deformation tests produced repeatable results and the followed approach appears promising.
Temperature vs deformation tests also produced interesting results, but further investigations are needed to provide a convincing justification of the recorded behavior.