Characterizing Lithium Ion Batteries and Engineering a Battery Pack for Hybrid Electric Automotive Racing Applications

In the last years attention to Electric Vehicles (EVs and HEVs) has peaked for several reason, such as the more and more stringent laws on emissions in the European Union. This reflects on many aspect of the Automotive Industry and also has a direct impact on the Motorsport world. Examples like Formula 1 and World Endurance Championship show how the world of race cars is evolving towards a more electric-powered racing. The scope of this work is the characterization of Lithium Ion cells to be utilized in a high power battery pack for racing applications in a a Hybrid Electric Formula SAE car. The thesis starts by describing the Hybrid Rules and defining the needs of the size and power ideal for the application. After the rules requirements description, the cells test campaign is reported. From the experimental data a coupled thermo-electrical reduced-order model of the cells is obtained. From the characterization data the best cell for the pack building is chosen. Then the whole pack design choices and processes are described starting from pack modelization and simulation (in order to identify the best pack layout), the control parameters of the battery monitoring system board (the BMS), and the cooling method.

Negli ultimi anni l'attenzione ai veicoli elettrici e ibridi (EV e HEV) è andata in crescendo per diversi motivi, come ad esempio le normative sempre più restrittive sulle emissioni dell'Unione Europea. Questo si riflestte in diversi aspetti dell'industria automobilistica e ha un impatto diretto sul mondo del motorsport. Esempi come la Formula 1 e il World Endurance Championship mostrano come il mondo delle corse automobilistiche sta evolvendo verso dei modi di gareggiare sempre più elettrificati. Lo scopo di questo lavoro è la caratterizzazione di celle agli ioni di litio da utilizzare in un pacco batteria ad alta potenza specifica per l'utilizzo in una vettura Formula SAE ibrida. La tesi inizia descrivendo il regolamento della Formula SAE e definendo i requisiti di potenza e dimensione ideali per l'applicazione. Dopo la descrizione del regolamento la campagna di test sulle celle è descritta nelle sue fasi. Dai dati sperimentali è ottenuto un modello termoelettrico di ordine ridotto. Dai risultati della caratterizzazione è stata scelta la cella più adatta alla costruzione del pacco batteria. Il processo di progettazione e le scelte ingegneristiche per la costruzione del pacco batteria sono descritte a partire dalla modellizzazione del pacco batteria per poi descrivere la scelta del numero di celle, la connessione tra loro, la scheda elettronica di monitoraggio (il BMS) e il metodo di raffreddamento.