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Le batterie agli ioni di litio (LIB) hanno raggiunto una vastissima diffusione grazie all’elevata densità di potenza ed energia, una minore autoscarica ed un maggiore numero di cicli prima di arrivare a fine vita rispetto ad altre tipologie di batterie. Tuttavia, è necessario un maggiore controllo per un corretto funzionamento ed evitare rischi per la sicurezza. Questa funzione è svolta dal Battery Management System (BMS).
Con il continuo aumento delle prestazioni e degli scenari d’uso delle batterie agli ioni di litio, i BMS tradizionali, basati sull’analisi di misure termiche ed elettriche, iniziano a mostrare dei limiti. Questi limiti riguardano principalmente la predizione di possibili eventi avversi nella batteria e la stima di parametri chiave, quali lo stato di carica (SOC) e l’invecchiamento. Queste informazioni, infatti, non possono essere ricavate in maniera semplice e diretta dalle sole misure di tensione, corrente e temperatura, e richiedono test ad hoc non effettuabili durante il funzionamento della batteria. Per questo motivo, una delle soluzioni innovative proposte consiste nell’utilizzo della cosiddetta “sensor fusion”, ossia un’analisi di dati provenienti da sensori in grado di rilevare grandezze di tipo diverso da quelle tradizionali per incrementare le informazioni riguardanti lo stato della batteria, mirando a migliorarne la modellizzazione.
L’obiettivo della presente tesi è stato quello di investigare l’uso di sensori di deformazione e di gas al fine di implementare la tecnica del “sensor-fusion”, focalizzando la ricerca su sistemi di misura compatibili con l’industrializzazione in un pacco batteria e il suo utilizzo in condizioni operative.
A causa dei processi termici e di carica/scarica, infatti, le LIB si espandono e si contraggono. L’entità di queste deformazioni è fortemente dipendente dallo stato di salute della cella. Inoltre, in condizioni di abuso termico o elettrico, le celle possono espandersi considerevolmente a causa della produzione interna di gas, fino a danneggiarsi e/o liberare questi gas all’esterno.
I sistemi presenti in letteratura per la misura di queste grandezze risultano incompatibili con l’uso in un pacco batterie per motivi economici e di ingombro. Questa tesi, come anticipato precedentemente, mira ad individuare soluzioni a basso costo e con ingombro compatibile con la struttura interna attualmente utilizzata per realizzare i pacchi batteria.
Data l’impossibilità di testare sensori di gas in maniera completa e sicura nel laboratorio in cui è stata svolta la tesi, il lavoro sperimentale si è concentrato nella progettazione e validazione di un sistema per la misura della deformazione di una LIB prismatica. In particolare, lo studio si è focalizzato sulla deformazione dovuta ai processi di carica e scarica e alla dilatazione termica delle celle agli ioni di litio. Lo studio della deformazione dovuta all’invecchiamento, invece, richiede test sperimentali di diversi mesi o anni, pertanto non viene trattata sperimentalmente all’interno di questo elaborato. Tuttavia, sono stati eseguiti test di confronto della deformazione di celle nuove e invecchiate utilizzando celle precedentemente impiegate in altre campagne di test.
Sono state analizzate due diverse tipologie di sensori: un sensore ottico e un sensore induttivo basato sulle eddy current. È stato realizzato un setup di misura basato su sensori commerciali a basso costo con cui sono state effettuate due tipologie di test: termici e di carica e scarica. I test termici servono per valutare l’espansione dovuta alla variazione di temperatura. Gli altri, invece, mirano a valutare l’effetto dello stato di carica della cella sulla sua deformazione.
I risultati ottenuti hanno mostrato, coerentemente con quanto già riscontrato in letteratura, che a SOC minori e invecchiamento maggiore corrispondono maggiori deformazioni dovute all’effetto della temperatura. Inoltre, dal punto di vista dei cicli di carica e scarica, le celle nuove hanno mostrato una dilatazione superiore all’interno del singolo ciclo rispetto a quelle invecchiate.
I risultati numerici ottenuti nell’ambito di questo lavoro sono comparabili con quelli trovati in letteratura, i quali sono però ricavati con sistemi di misura ad alto costo ed elevato ingombro e non si prestano all’inserimento massivo della sensoristica nel corpo della batteria. Infine, i test hanno evidenziato che il sensore induttivo sembra essere la soluzione migliore per essere implementato all’interno di batterie reali grazie al suo costo, dimensioni, affidabilità ed accuratezza nella stima della dilatazione della cella.
Ulteriori studi sono in programma per perfezionare il sistema di misura e valutare eventuali ulteriori tipologie di sensori per implementare il concetto di “sensor fusion”, permettendo una stima più accurata di SOC e SOH, quindi un maggior controllo della LIB nelle varie applicazioni in cui è utilizzata.