SPETTROSCOPIA ELETTROCHIMICA DI IMPEDENZA PER LA DIAGNOSTICA E IL MONITORAGGIO DELLA TEMPERATURA SU BATTERIE AL LITIO

LITHIUM-ION (LI-ION) TECHNOLOGY REMAINS THE MOST EFFECTIVE AND WIDELY PREFERRED CHOICE FOR DESIGNING BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEMS (BESS), RANGING FROM HIGH-POWER STATIONARY APPLICATIONS INTEGRATED WITH PHOTOVOLTAIC PANELS TO LOW-POWER CONSUMER ELECTRONICS. THE PERFORMANCE REQUIREMENTS OF BATTERIES DEPEND ON THEIR INTENDED APPLICATION, BUT IN ALL APPLICATIONS, SAFE OPERATION IS MANDATORY. PROPER SYSTEM MANAGEMENT IS NECESSARY TO EXTEND BATTERY LIFETIME, PRESERVE EFFICIENCY, AND MINIMISE THE OCCURRENCE OF FAULTS. EVERY ESTIMATION AND DIAGNOSIS STRATEGY SHOULD BE FEASIBLE FOR INTEGRATION ON BATTERY MANAGEMENT SYSTEMS (BMS), FACING THE REQUIREMENT OF REDUCED HARDWARE DICTATED BY COST SAVINGS. THEREFORE, ON-BOARD AND NON-INVASIVE DIAGNOSTICS PLAY A CRUCIAL ROLE, AND MANY ENERGY STORAGE SYSTEM MANUFACTURERS CONSIDER IT A LEADING TARGET. IN THIS CONTEXT, ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY (EIS) SEEMS A SUITABLE OPTION THAT MEETS SUCH REQUIREMENTS. THIS DISSERTATION AIMS TO PRESENT EIS AS ONE OF THE MOST PROMISING MONITORING AND DIAGNOSTIC APPROACH FOR ADVANCED BATTERY MONITORING. IT PROVIDES A DEEP DISCUSSION ON THE FUNDAMENTALS OF EIS ANALYSIS, WITH A CRITICAL REVIEW OF THE EIS APPROACHES FOR BATTERY APPLICATIONS PRESENTED IN RECENT ACADEMIC LITERATURE, WITH EMPHASIS ON TECHNIQUES FEASIBLE FOR ON-BOARD INTEGRATION. FURTHERMORE, WE DESCRIBE HOW EIS CAN BE USEFUL AS A DIAGNOSTIC TOOL FOR THE ESTIMATION OF THE OVERALL STATE OF A BATTERY WITH EMPHASIS ON TEMPERATURE ESTIMATION, AND HOW IT COULD BE INTEGRATED ONBOARD BMS. THEN, WE DEVELOPED A DATA-DRIVEN MODEL FOR THE INTERNAL TEMPERATURE ESTIMATION OF THE LI-ION CELLS, EXPLOITING IMPEDANCE-BASED INDICATORS, AND WE IMPLEMENTED AN INNOVATIVE PROOF-OF-CONCEPT SOLUTION TO ADDRESS THE CHALLENGE OF AN EIS ACQUISITION THROUGH OFF-THE-SHELF PRODUCTS TARGETED FOR LOW-COST BATTERY MONITORING WITH LIMITED RESOURCES.

LA TECNOLOGIA AGLI IONI DI LITIO (LI-ION) RIMANE LA SCELTA PIÙ EFFICACE E AMPIAMENTE PREFERITA PER LA PROGETTAZIONE DEI SISTEMI DI ACCUMULO DI ENERGIA A BATTERIA (BESS), CHE SPAZIANO DALLE APPLICAZIONI STAZIONARIE AD ALTA POTENZA INTEGRATE CON PANNELLI FOTOVOLTAICI FINO AI DISPOSITIVI ELETTRONICI DI CONSUMO A BASSA POTENZA. I REQUISITI PRESTAZIONALI DELLE BATTERIE DIPENDONO DALLA LORO DESTINAZIONE D’USO, MA IN OGNI APPLICAZIONE È FONDAMENTALE GARANTIRNE IL FUNZIONAMENTO SICURO. UNA CORRETTA GESTIONE DEL SISTEMA È NECESSARIA PER PROLUNGARE LA DURATA DELLA BATTERIA, PRESERVARNE L’EFFICIENZA E RIDURRE AL MINIMO IL VERIFICARSI DI GUASTI. OGNI STRATEGIA DI STIMA E DIAGNOSI DEVE ESSERE COMPATIBILE CON L’INTEGRAZIONE NEI SISTEMI DI GESTIONE DELLA BATTERIA (BMS), TENENDO CONTO DELLA NECESSITÀ DI RIDURRE L’HARDWARE E I COSTI COMPLESSIVI. PER QUESTO MOTIVO, LE TECNICHE DI DIAGNOSTICA A BORDO E NON INVASIVE RIVESTONO UN RUOLO CRUCIALE E SONO CONSIDERATE UN OBIETTIVO PRIORITARIO DA MOLTI PRODUTTORI DI SISTEMI DI ACCUMULO ENERGETICO. IN TALE CONTESTO, LA SPETTROSCOPIA DI IMPEDENZA ELETTROCHIMICA (EIS) APPARE COME UN’OPZIONE PARTICOLARMENTE ADATTA A SODDISFARE TALI ESIGENZE. QUESTA TESI SI PROPONE DI PRESENTARE L’EIS COME UNO DEGLI APPROCCI DI MONITORAGGIO E DIAGNOSI PIÙ PROMETTENTI PER IL CONTROLLO AVANZATO DELLE BATTERIE. VIENE FORNITA UN’APPROFONDITA ANALISI DEI FONDAMENTI TEORICI DELL’EIS, INSIEME A UNA REVISIONE CRITICA DELLE METODOLOGIE EIS APPLICATE ALLE BATTERIE RIPORTATE NELLA RECENTE LETTERATURA SCIENTIFICA, CON PARTICOLARE ATTENZIONE ALLE TECNICHE COMPATIBILI CON L’INTEGRAZIONE A BORDO. INOLTRE, VIENE DESCRITTO COME L’EIS POSSA ESSERE UTILIZZATA COME STRUMENTO DIAGNOSTICO PER LA STIMA DELLO STATO COMPLESSIVO DI UNA BATTERIA, CON PARTICOLARE ENFASI SULLA STIMA DELLA TEMPERATURA E COME POSSA ESSERE INTEGRATA ALL’INTERNO DI UN BMS. SUCCESSIVAMENTE, È STATO SVILUPPATO UN MODELLO DATA-DRIVEN PER LA STIMA DELLA TEMPERATURA INTERNA DELLE CELLE AGLI IONI DI LITIO, SFRUTTANDO INDICATORI BASATI SULL’IMPEDENZA, E INFINE È STATA REALIZZATA UNA SOLUZIONE A INNOVATIVA DI PER AFFRONTARE LA SFIDA DELL’ACQUISIZIONE EIS UTILIZZANDO PRODOTTI COMMERCIALI ECONOMICI, DESTINATI AL MONITORAGGIO DELLE BATTERIE CON RISORSE LIMITATE.