Modellizzazione e simulazione dinamica di batterie agli ioni di litio in ambiente Python

The following thesis represents an initial exploratory investigation into the field of dynamic modeling of lithium-ion batteries. In recent times, energy-related topics have become increasingly significant, particularly in the area of electrochemical storage, which plays a crucial role in the energy transition. This study provides an introductory overview of various dynamic analysis tools available for battery pack modeling, specifically Simscape Battery, COMSOL Multiphysics, PyBaMM, and liionpack. This comparison stems from the desire to dedicate time to exploring the PyBaMM package and its capabilities, with the aim of developing open-source code as part of this work. PyBaMM is a Python library specifically designed for studying the behavior of individual cells. It also offers various electrochemical, thermal, and aging models, which are described in detail. The study then focuses on constructing an electrical model to simulate a group of cells connected in parallel. The generalized model for n cells is subsequently implemented in PyBaMM and tested on a group of three cells in parallel. The results are validated by comparing them with simulations performed using the liionpack library. The analysis includes the behaviors of the three types of cells examined in a natural rebalancing scenario. Finally, a simulation using the liionpack library is proposed to visualize certain aging effects. The analysis of the simulation results, accompanied by considerations regarding potential future research scenarios in the field, concludes this manuscript.

Il seguente lavoro di tesi rappresenta una prima indagine esplorativa in merito al mondo della modellazione dinamica delle batterie agli ioni di litio. Negli ultimi tempi le tematiche energetiche si stanno facendo sempre più importanti, in particolare l’ambito dell’accumulo elettrochimico gioca un ruolo molto importante per la transizione energetica. Lo studio in questione fornisce una panoramica iniziale su vari strumenti di analisi dinamica disponibili per la modellazione di pacchi batteria, nello specifico Simscape Battery, COMSOL Multiphysics, PyBaMM e liionpack. Questa comparazione nasce dalla volontà di voler investire del tempo nell’approfondimento del pacchetto PyBaMM e delle sue potenzialità, con lo scopo di sviluppare un codice open-source come parte di questo lavoro. PyBaMM è una libreria Python creata appositamente per lo studio del comportamento di singole celle. Offre inoltre vari modelli elettrochimici, termici e di invecchiamento che sono descritti in seguito. Lo studio si focalizza poi sulla costruzione di un modello elettrico atto a simulare un gruppo di celle in parallelo. Il modello generalizzato ad n celle viene quindi implementato in PyBaMM e testato su un gruppo di tre celle in parallelo. I risultati sono validati confrontandoli con simulazioni eseguite tramite la libreria liionpack. Sono inclusi nell’analisi i comportamenti delle tre tipologie di celle prese in esame in uno scenario di ribilanciamento naturale. Infine viene proposta una simulazione mediante la libreria liionpack per visualizzare alcuni effetti di invecchiamento. L’analisi dei risultati delle simulazioni svolte, accompagnata da considerazioni riguardanti possibili scenari futuri di ricerca nel settore, conclude il presente manoscritto.