Sviluppo di procedure MATLAB per la caratterizzazione tramite EIS di batterie agli ioni di litio e la gestione automatica delle fasi di carica e scarica

Nowadays, one of the greatest technological revolutions in the transportation and renewable energy sectors is driven by the development of lithium-ion batteries. The impact of this technology is highly evident in portable electronics, which have become lighter and longer-lasting thanks to the high energy density and excellent cycle life of these batteries, as well as in the transport sector, where they play a crucial role in the energy transition. Furthermore, they are essential for energy storage in renewable power systems. However, since batteries are subject to degradation and aging over time, it is necessary to study these processes through various methodologies. In particular, this study focuses on the analysis and implementation of MATLAB functions for the characterization of the charging, discharging, and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) of Sanyo and Panasonic NCR18650BL lithium-ion batteries, using the Keysight N6705C instrument equipped with N6781A and N6783A modules. The developed functions are divided into two main categories: those for charge and discharge management, which implement the two-quadrant (PS2Q) mode with Constant Current (CC) and Constant Voltage (CV) phase control via internal or external data logging, and those for EIS characterization, which leverage the arbitrary waveform (ARB) mode of the N6781A module to generate current sinusoids in the 10 mHz – 1000 Hz range while simultaneously acquiring the battery’s voltage and current response signals. The experimental results obtained for the validation of these functions are reported in Chapter 5.

Al giorno d’oggi, una delle più grandi rivoluzioni tecnologiche nei settori dei trasporti e delle energie rinnovabili è guidata dallo sviluppo delle batterie agli ioni di litio. L’impatto di questa tecnologia è fortemente evidente nell’elettronica portatile, che è diventata più leggera e duratura grazie all’elevata densità energetica e all’eccellente ciclo di vita di queste batterie, così come nel settore dei trasporti, dove esse svolgono un ruolo cruciale nella transizione energetica. Inoltre, sono essenziali per l’accumulo di energia nei sistemi energetici rinnovabili. Tuttavia, poiché le batterie sono soggette a degradazione e invecchiamento nel tempo, è necessario studiare questi processi attraverso diverse metodologie. In particolare, questo studio si concentra sull’analisi e sull’implementazione di funzioni MATLAB per la caratterizzazione di carica, scarica e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) di batterie al litio Sanyo e Panasonic NCR18650BL, utilizzando lo strumento Keysight N6705C dotato di moduli N6781A e N6783A. Le funzioni sviluppate si dividono in due categorie principali: quelle per la gestione di carica e scarica, che implementano la modalità a due quadranti (PS2Q) con controllo delle fasi a corrente costante (CC) e tensione costante (CV) tramite data logger interni o esterni, e quelle per la caratterizzazione EIS, che sfruttano la modalità a forma d’onda arbitraria (ARB) del modulo N6781A per generare sinusoidi di corrente nell’intervallo 10 mHz – 1000 Hz, acquisendo simultaneamente i segnali di risposta in tensione e corrente della batteria. I risultati sperimentali ottenuti per la validazione di queste funzioni sono riportati nel Capitolo 5.