• simulazioni numeriche
• revisione della letteratura
• literature review
• modelli numerici a parametri concentrati
• lumped numerical models
• battery thermal system
• Heat Pipe
• Phase Change Materials
• PCM
• BTS
• celle agli ioni di litio
• lithium-ion cells
• pacco batteria
• battery pack
• numerical simulations
• influence of operating temperature
• influenza della temperatura operativa
• veicoli elettrici
• EV
• materiali a cambiamento di fase

I combustibili fossili costituisco, ad oggi, la principale fonte di energia primaria del globo terrestre. La loro combustione comporta inevitabilmente sottoprodotti indesiderati come i gas ad effetto serra. La gravità del cambiamento climatico, dovuto alle emissioni di questi gas, ha raggiunto livelli preoccupanti come testimoniato dal riscaldamento globale e dallo scioglimento dei ghiacciai. In risposta a questo problema, l’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA) ha delineato alcuni possibili scenari per il sistema energetico del futuro per evitare un aumento medio della temperatura del pianeta a 2 °C entro il 2050. Tra le varie iniziative volte a raggiungere questo obiettivo, l’elettrificazione dei trasporti occupa un ruolo predominante. I governi di tutto il mondo stanno attuando differenti politiche per promuovere l’acquisto e l’utilizzo di veicoli elettrici come: incentivi economici per ridurre il costo di acquisto, aumento delle infrastrutture di ricarica e campagne di sensibilizzazione. In quest’ ottica, il continuo sviluppo delle tecnologie è un fattore cruciale per migliorare le prestazioni degli EV (Electric Vehicles) al fine di renderli competitivi e più appetibili dei corrispettivi veicoli a combustione interna. Molti sforzi dei vari producers si sono concentrati soprattutto nella ricerca e nell’implementazione di batterie agli ioni di lito, che costituiscono l’unico serbatoio energetico del veicolo, che avessero un’elevata densità di energia e di potenza, leggere, economiche, sicure, durevoli e soprattutto che fossero totalmente indipendenti dalla temperatura operativa. Quest’ultimo aspetto rappresenta una delle maggiori criticità di queste tecnologie. Infatti, la temperatura influenza notevolmente le prestazioni, la vita utile e la sicurezza delle batterie ed è per questo motivo che nei veicoli elettici è fondamentale l’utilizzo di un sistema di controllo termico efficiente che permetta di mantenere la temperatura all’interno di range prestabiliti dal costruttore. Gli attuali BTS (Battery Thermal System) sono di tipo attivo e cioè sfruttano un fluido vettore in convezione forzata per assolvere a tale funzione e quindi energivori. L’utilizzo congiunto di questi sistemi con quella adibiti al condizionamento dell’abitacolo, impattano notevolmente sull’autonomia del veicolo, portando ad una riduzione drastica anche del 60%. Da questo limite, scaturisce il primo scopo di questa tesi, ovvero, tentare di sviluppare un’alternativa efficace agli attuali sistemi di controllo termico attivo tramite l’utilizzo di sistemi passivi che sfruttano il cambiamento di fase, quali Heat Pipes e PCMs (Phase Change Materials) al fine di minimizzare i consumi energetici a favore di una maggiore autonomia del veicolo. Il design del BTS oggetto di studio è stato sviluppato solo dopo un’attenta review di tutti i lavori presenti in letteratura che hanno studiato l’utilizzo singolare o combinato di questi dispositivi bifase applicato al settore della mobilità elettrica. L’altro scopo è quello di implementare dei modelli numerici a parametri concentrati che descrivano in maniera accurata il comportamento termico globale del BTS senza dover considerare specificatamente ogni fenomeno fisico coinvolto nei sistemi passivi, in modo tale da ridurre notevolmente i tempi di calcolo. In questo modo, l’algoritmo sviluppato potrebbe essere utilizzato direttamente sul veicolo elettrico dal sistema di gestione del BTS per effettuare, in tempi rapidi, analisi preliminari e previsioni. La validità del sistema proposto è stata verificata confrontando le sue prestazioni con quelle di un sistema reale di controllo termico a liquido, che si è dimostrato più efficiente rispetto al suo omologo ad aria, portando a risultati molto incoraggianti. La tesi si articola in cinque capitoli.
Nel Primo Capitolo vengono inizialmente descritte quali tipologie di celle agli ioni di litio si trovano attualmente in commercio per i veicoli elettrici e quali sono i fenomeni chimico-fisici che comportano generazione di calore al suo interno durante il funzionamento e le relative equazioni per poterlo quantificare. Successivamente viene analizzata l’influenza delle alte e delle basse temperature sulle prestazioni della cella, passando in rassegna tutte le problematiche connesse al non rispetto dei vincoli sull’intervallo di temperatura operativa. Infine, sono descritti brevemente alcuni degli attuali sistemi energivori di controllo termico utilizzati e i relativi vantaggi e svantaggi.
Nel Secondo Capitolo sono descritti i sistemi bifase presi in considerazione in questa tesi quali Heat Pipe e PCM. Per ognuno di essi è presente una review in forma tabellare di tutti i lavori scientifici presenti in letteratura che hanno analizzato sistemi di controllo termico delle batterie nei veicoli elettrici basati sull’utilizzo singolare e combinato di questi dispositivi. Solo i lavori più significativi sono stati analizzati in dettaglio per evidenziare i pro e i contro nell’utilizzo di queste tecnologie al fine di evidenziare quali caratteristiche debba avere il BTS oggetto di studio di questa tesi.
Nel Terzo Capitolo viene definito il BTS bifase alternativo che si configura come caso studio di questo lavoro di tesi. Vengono inoltre descritti i modelli numerici a parametri concentrati utilizzati per definite il comportamento termico dei dispositivi bifase costituenti il sistema di controllo della cella. Entrambi i modelli numerici sono poi validati con numerosi casi sperimentali presenti in letteratura.
Nel Quarto Capitolo sono inizialmente descritti i BTS tradizionali presi come confronto per verificare l’efficacia del sistema alternativo e quali siano le condizioni al contorno da prendere in considerazione. Successivamente, attraverso dati sperimentali ottenuti da misurazione diretta delle grandezze di interesse durante la prova su strada e la ricarica rapida del veicolo elettrico, sono svolte differenti simulazioni in varie condizioni operative. I risultati ottenuti sono presentati in forma grafica e discussi criticamente al fine di verificare l’effettiva applicabilità del sistema di controllo termico alternativo costituente il caso studio.
Nel Quinto Capitolo, quello conclusivo, sono riassunte tutte le considerazioni scaturite dalle analisi svolte in questo lavoro di tesi ed evidenziati i vantaggi e svantaggi dell’utilizzo di un sistema passivo per il controllo termico delle batterie nei veicoli elettrici con un breve accenno a quali possono essere le implicazioni future.

Fossil fuels constitute, to date, the globe's main source of primary energy. Their combustion inevitably results in unwanted byproducts such as greenhouse gases. The severity of climate change, due to emissions of these gases, has reached alarming levels as witnessed by global warming and melting glaciers. In response to this problem, the International Energy Agency (IEA) has outlined some possible scenarios for the energy system of the future to avoid an average increase in the planet's temperature to 2 °C by 2050. Among the various initiatives to achieve this goal, the electrification of transportation occupies a predominant role. Governments around the world are implementing different policies to promote the purchase and use of electric vehicles such as: economic incentives to reduce the cost of purchase, increased charging infrastructure, and awareness campaigns. In this perspective, the continuous development of technologies is a crucial factor to improve the performance of EVs (Electric Vehicles) in order to make them competitive and more attractive than the corresponding internal combustion vehicles. Many efforts of the various producers were mainly focused on researching and implementing lithium-ion batteries, which are the vehicle's only energy reservoir, that had high energy and power density, were light, inexpensive, safe, durable, and above all, totally independent of operating temperature. This last aspect represents one of the major critical issues of these technologies. In fact, temperature greatly influences the performance, service life, and safety of batteries, which is why the use of an efficient thermal control system to keep the temperature within ranges predetermined by the manufacturer is critical in electrified vehicles. Current BTS (Battery Thermal System) are of the active type, that is, they use a carrier fluid in forced convection to perform this function and are therefore energy intensive. The joint use of these systems with the one used for passenger compartment air conditioning greatly impacts the vehicle's range, leading to a drastic reduction of up to 60%. From this limitation, stems the first purpose of this thesis, that is, to attempt to develop an effective alternative to current active thermal control systems through the use of passive systems that exploit phase change, such as Heat Pipes and PCMs (Phase Change Materials) in order to minimize energy consumption in favor of increased vehicle autonomy. The design of the BTS under study was developed only after a careful review of all works in the literature that have studied the singular or combined use of these two-phase devices applied to the electric mobility sector. The other purpose is to implement lumped numerical models that accurately describe the overall thermal behavior of the BTS without having to specifically consider every physical phenomenon involved in the passive systems, so as to greatly reduce computational time. In this way, the developed algorithm could be used directly on the electric vehicle by the BTS management system to make preliminary analyses and predictions quickly. The validity of the proposed system was verified by comparing its performance with that of a real liquid-based thermal control system, which proved to be more efficient than its air-based counterpart, leading to very encouraging results. The thesis is divided into five chapters.
Chapter One initially describes what types of lithium-ion cells are currently on the market for electric vehicles and what are the chemical and physical phenomena that result in heat generation within it during operation and the related equations to be able to quantify it. Next, the influence of high and low temperatures on cell performance is analyzed, reviewing all the issues associated with not meeting constraints on the operating temperature range. Finally, some of the current energy-efficient thermal control systems used and their advantages and disadvantages are briefly described.
Chapter Two describes the two-phase systems considered in this thesis such as Heat Pipe and PCM. For each of them there is a tabular review of all the scientific works in the literature that have analyzed thermal control systems for batteries in electric vehicles based on the singular and combined use of these devices. Only the most significant works have been analyzed in detail to highlight the pros and cons in the use of these technologies in order to highlight what characteristics the BTS under study in this thesis should have.
Chapter Three defines the alternative two-phase BTS that serves as the case study of this thesis work. The numerical models with concentrated parameters used to define the thermal behavior of the two-phase devices constituting the cell control system are also described. Both numerical models are then validated with numerous experimental cases in the literature.
Chapter Four initially describes traditional BTSs taken as a comparison to verify the effectiveness of the alternative system and what boundary conditions should be considered. Then, through experimental data obtained from direct measurement of the quantities of interest during road test and rapid charging of the electric vehicle, different simulations are carried out under various operating conditions. The results obtained are presented in graphical form and critically discussed in order to verify the actual applicability of the alternative thermal control system constituting the case study.
In Chapter Five, the concluding chapter, all the considerations arising from the analyses carried out in this thesis work are summarized and the advantages and disadvantages of using a passive system for thermal control of batteries in electric vehicles are highlighted with a brief mention of what the future implications may be.