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Gli accumulatori di energia: sviluppo e gestione attraverso la simulazione

Pubblicato da Giorgio Ceresa il 5 May 2020

🕓 Tempo di lettura: 3 minuti

Le performance delle batterie al litio (Li-Ion e Li-Po) sono strettamente legate alla temperatura di funzionamento: soprattutto quelle per applicazioni Automotive, spesso alloggiate in vani inaccessibili all'interno dell'autotelaio, alle quali è richiesta la massima efficienza in tutto il ciclo di funzionamento: ricarica e scarica.

Il range di temperature, ottimale, entro il quale fare funzionare questi accumulatori di energia è da 15°C ai 30°C:  sono consentite anche temperature comprese fra i -40°C e i 60 °C. Tuttavia, maggiore è la temperatura di lavoro della cella, maggiore è il suo rate di invecchiamento.

Ma non basta. Anche la differenza di temperatura tra le singole celle ne influenza performance e durata. Infatti, in un pacco di batterie il ΔT tra celle non dovrebbe superare i 4 °C, con uno scostamento massimo di 6-8 °C.

In questo articolo è descritto l’approccio, tipicamente utilizzato dai progettisti di accumulatori, per dimensionare correttamente un pacco batterie attraverso la simulazione CAE.

Data la bassa energia specifica delle celle, questa tipologia di sistema di accumulo è destinato ad avere un layout sempre più compatto e quindi richiedere soluzioni di raffreddamento sempre più complesse, evolute e costose.

 

Le tecnologie di simulazione a supporto della progettazione di batterie

Per eseguire una simulazione sono necessarie tecnologie specifiche che permettano la modellazione termica, elettrica ed elettrochimica delle batterie su diverse scale: dalla singola cella fino al sistema batteria completo.

 

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Inoltre, la batteria completa, deve essere simulata all'interno del veicolo inserendo, quali condizioni a contorno, sia il sistema di raffreddamento che quello di riscaldamento ma anche tutte quelle condizioni limite che ne potrebbero compromettere il buon funzionamento o, in ultima istanza, la rottura.

Il più verticale e dettagliato dei sotto modelli proposti nel MSMD Battery Model è il Newman P2D. Pensato e sviluppato in collaborazione con i diretti produttori di celle al Litio, questo approccio fisico permette di modellare in dettaglio il comportamento elettrochimico della singola cella comportando un elevato grado di complessità del setup e conseguente costo computazionale.

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La simulazione si focalizza sulla migrazione degli ioni di litio all’interno dei due elettrodi porosi, lo strato di separazione e la soluzione elettrolitica. Conducibilità, diffusività e frazione volumetrica degli ioni nei diversi mezzi che compongono la cella sono solo alcune delle variabili necessarie a caratterizzare in maniera esplicita i fenomeni elettro-chimici che incorrono all’interno della batteria.

 

Miglioramento delle prestazioni delle batterie

Oltre a questo, due sotto-modelli di natura empirica permettono di avere un focus più generale ma allo stesso tempo fortemente orientato alla determinzazione delle performance dell’ accumulatore in diverse condizioni operative.

 

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Accoppiati alla tecnologia Reduced Oreder Model (ROM), questi modelli rendono la simulazione transitoria della singola cella compatibile computazionalmente alla simulazione dell’intero sistema batteria.

Il primo di questi due sotto-modelli empirici è l’NTGK. Esso permette, partendo da alcune informazioni generali contenute nella Scheda Tecnica (datasheet) della batteria, di ottenere la curva di scarica sotto diverse condizioni di carico e temperatura derivanti dalle condizioni termo-fluidodinamiche circostanti.

È così possibile valutare le performance del sistema di raffreddamento del pacco batterie, che sia questo pensato per lavorare attraverso semplice conduzione, convezione naturale o forzataImmagine 5, raffreddamento a liquido o una combinazione di queste condizioni. La capacità di dissipare il calore dell’intero sistema di batterie, infine, può essere valutata direttamente dal confronto delle curve di scarica di ogni singola cella.

Per simulare il comportamento reale e dinamico della batteria il modello MSMD mette a disposizione il secondo sotto-modello Equivalent Circuit Model (EMC). Attraverso la modellazione equivalente di un circuito RC e i dati sperimentali provenienti da un classico test HPPC operato per diversi State Of Charge (SOC), è possibile simulare il comportamento transitorio dell’accumulatore.

Oltre alla curva di scarica, è possibile stimare importanti valori di temperatura di picco che possono anche discostarsi notevolmente rispetto a una condizione di carica/scarica a regime.

 

Immagine 3 e 4

 


 

I test Thermal Abuse e Nail Penetration sono prove di sicurezza standard dispendiose in termini di tempo e costo che le celle agli ioni di litio devono superare per essere approvate alla vendita. Grazie all’ implementazione nel modello MDMS è possibile riprodurre tridimensionalmente questo test evidenziando in anticipo eventuali criticità  del prodotto.

In ultimo, la capacità reale della batteria è sensibilmente ridotta dal numero ed intensità di cicli di carica/scarica e dalla data di produzione.

 

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Argomenti: Automotive, Simulazione

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