Fault detection in Li-ion batteries using set-based states estimation with constrained zonotopes

Lithium-ion batteries are nowadays used in a variety of fields, both industrial and domestic, as portable energy sources in applications such as electric and hybrid vehicles and consumer electronics. There are many technologies used to manufacture batteries but the most used one is Lithium-Ion because of its long longevity and performance characteristics (high energy density, wide operating temperature range...); the presence of dangerous substances for both humans and the environment, such as flammable organic solvents and heavy metal makes this type of battery potentially dangerous even in normal operating conditions. The prevention of explosion, fire and failure of this kind of battery is of primary concern in most of the recent research topics on Li-ion batteries, due to the great industrial expansion of these accumulators over the past three decades. For this reason, inside these researches, different procedures have been implemented in order to be able to detect faulty situations, so to avoid dangerous conditions and guaranteeing safety in their usage. Most of these procedures in this field rely on mathematical models of the battery in order to estimate the states of the system. The set-based estimation methodology use classes of sets in order to manage the uncertainties due to process or measurement noise inside these quantities. This thesis is focused on presenting different causes of fault in Li-ion batteries and successively in creating an electro-thermal mathematical model of a Lithium-ion cell on which implementing a set-based states estimator, with constrained zonotopes, so that is possible to use it in order to perform a fault detection procedure on the cell itself.

Identificazione di guasti in Batterie agli ioni di Litio tramite stima di stati Set-based con zonotopi vincolati. Le batterie agli ioni di litio sono oggi utilizzate in molti campi, sia industriali che domestici, come dispositivi per l'immagazzinamento di energia portatile in applicazioni come veicoli elettrici o ibridi e nei componenti elettronici utilizzati nella vita di tutti i giorni. Esistono molte tecnologie utilizzate per produrre batterie ma la più utilizzata è sicuramente quella agli ioni di litio, per le sue caratteristiche di lunga durata ed elevate prestazioni (alta densità di energia, intervallo di temperature di esercizio molto ampio...); la presenza di sostanze pericolose sia per l'uomo che per l'ambiente, come solventi organici infiammabili e metalli pesanti, rende però questo tipo di batterie potenzialmente pericoloso anche in condizioni di nominale funzionamento. La prevenzione di esplosioni, incendi e guasti di questo tipo di batteria è di primaria importanza nella maggior parte dei recenti lavori di ricerca sulle batterie agli ioni di litio, a causa della grande espansione industriale di questi accumulatori negli ultimi tre decenni. All'interno di queste ricerche, sono state implementate diverse procedure per poter rilevare situazioni di guasto in modo da evitare situazioni pericolose e garantire la sicurezza nel loro utilizzo. La maggior parte di queste procedure si basano su modelli matematici della batteria per stimare gli stati del sistema. La metodologia di stima set-based permette l'utilizzo di diverse classi di insiemi per tenere in considerazione le incertezze dovute ai disturbi di processo o di misura all'interno del sistema. Questa tesi è focalizzata inizialmente sulla presentazione di diverse cause di guasto nelle batterie agli ioni di litio e successivamente nella creazione di un modello matematico elettrotermico di una cella agli ioni di litio su cui implementare uno stimatore di stati set-based, utilizzando come set gli zonotopi vincolati, sul quale poter eseguire una procedura di rilevamento dei guasti sulla cella stessa.