Modellazione, sviluppo e validazione sperimentale di un sistema di accumulo elettrico al litio

The study of lithium batteries object of this thesis, focuses on the most important and delicate aspects of an accumulator of this type, modeling, developing and experimentally validating the theoretical concepts. Since temperature is a factor that plays a very important role in lithium cells, a thermal analysis is performed assuming a convective heat exchange between the air and a battery pack of ten series, each of which consists of two parallels. The model is run using three different software: Excel, Matlab and Ansys Fluent. In order to be able to perform pre-tests in complete safety, a model that simulates the battery as a whole is required. Among the various options that will be proposed, the electrical circuit model was chosen. A battery charge simulation is then performed using Simulink and Matlab software. The thermal model previously generated is also added to the electric model proposed. The CAD models created are used to obtain the best layout for the accumulators and, moreover, they are an extremely useful means to assist the operator during the assembly of the package. Two CAD models are proposed, one for a 36 V and 500 Wh battery and one for a 48 V and 2000 Wh accumulator. The 36 V battery is made and assembled to allow the execution of verification tests. The tests are thus carried out using the "Chroma" battey tester. Various charges and discharges are performed to check the correct operation of the battery.

Lo studio delle batterie al litio oggetto di questa tesi, si concentra sugli aspetti più importanti e delicati di un accumulatore di questo tipo, modellando, sviluppando e validando sperimentalmente i concetti teorici. Essendo la temperatura un fattore che gioca un ruolo importantissimo nelle celle al litio, viene eseguita un’analisi termica ipotizzando uno scambio termico convettivo tra l’aria ed un pacco batterie di dieci serie, ognuna delle quali composta da due paralleli. Il modello viene eseguito mediante tre diversi software: Excel, Matlab e Ansys Fluent. Al fine di poter eseguire dei pre-test in totale sicurezza, è necessario un modello che simuli la batteria nel suo complesso. Tra le varie opzioni che verranno proposte è stato scelto il modello circuitale elettrico. Viene quindi eseguita una simulazione di carica della batteria mediante software Simulink e Matlab. Al modello elettrico proposto viene anche affiancato il modello termico precedentemente generato. I modelli CAD realizzati servono per ottenere il miglior layout per gli accumulatori e, inoltre, sono un mezzo estremamente utile per affiancare l’operatore in fase di montaggio del pacco. Sono proposti due modelli CAD, uno per una batteria da 36 V e 500 Wh e uno per un accumulatore da 48 V e 2000 Wh. La batteria da 36 V viene realizzata ed assemblata per poter permettere l’esecuzione dei test di verifica. Vengono così eseguiti i test mediante il battey tester “Chroma”. Sono eseguite diverse cariche e scariche per verificare il corretto funzionamento della batteria.