Fault detection in Li-ion batteries using set-based states estimation.

The aim of the following Thesis is the detection of some thermal faults in a lithium-ion battery using a set-based methodology for the estimation of the states. Currently, most of the commonly used electronic devices, for their operation, need an electric energy accumulator. Among these, the electrochemical accumulators, also known as batteries, seem to be the best-performing ones. The continuous increase in consumer electronic applications has driven the industry to the development of electrochemical accumulators with better performance and greater reliability. Lithium-ion batteries, in particular, are considered the best among the latter as they guarantee the better compromise in terms of energy density, low weight, slow self-discharge and a wide range of operating temperatures. In addition to this, in Lithium-ion batteries the memory effect present, for example, in Nickel-Cadmium and lead accumulators is almost totally absent. These devices, however, present a major problem. In fact, the presence of flammable organic solvents and heavy metals, harmful to both humans and the environment, makes this type of battery potentially dangerous even in nominal operating conditions. The prevention of explosions, fires and failures on this type of battery is of fundamental importance. In fact, many researchers today are concentrating on developing the procedure to implement different techniques to detect failure situations in order to avoid dangerous events and ensure safety when using the battery. In this Thesis, an electro-thermal mathematical model was used to describe the operation of a lithium-ion cell on which a set-based state estimator was implemented, using the constrained zonotopes as a set. The latter are a lean and efficient representation of convex and non-symmetrical sets. The set-based estimation method was chosen because it allows to take into account the uncertainties due to process and/or measurement disturbances within the system. Finally, this methodology was used for detecting three specific thermal failures.

Identificazione di guasti in batterie agli ioni di Litio tramite stima di stati set-based. Lo scopo della seguente Tesi di Laurea è la detenzione di alcuni guasti termici in una batteria agli ioni di litio utilizzando la metodologia set-based per la stima degli stati. Attualmente, la maggior parte dei dispositivi di uso comune, per il loro funzionamento, necessitano di un accumulatore di energia elettrica. Tra questi, gli accumulatori elettrochimici anche noti come batterie, sembrano essere quelli più performanti. Il continuo aumento di applicazioni elettroniche di consumo, ha guidato l’industria allo sviluppo di accumulatori elettrochimici con migliori prestazioni e maggior affidabilità. Le batterie agli ioni di litio, in particolare, sono considerate le migliori tra questi ultimi in quanto garantiscono il miglior compromesso in termini di densità di energia, peso ridotto, lenta auto-scarica ed ampio intervallo di temperature operative. Oltre a questo, nelle batterie agli ioni di Litio è quasi totalmente assente l’effetto memoria presente, ad esempio, negli accumulatori al Nichel-Cadmio e al Piombo. Tali dispositivi, però, presentano una grande problematica. Infatti, la presenza di solventi organici infiammabili e metalli pesanti, dannosi sia per l’uomo che per l’ambiente, rende questo tipo di batterie potenzialmente pericoloso anche in condizioni di nominale funzionamento. È di fondamentale importanza la prevenzione di esplosioni, incendi e guasti su questo tipo di batteria. Infatti molti ricercatori oggigiorno, si impegnano ad implementare diverse procedure per poter rilevare situazioni di guasto in modo da evitare eventi pericolosi e garantire la sicurezza nel loro utilizzo. In questa Tesi è stato utilizzato un modello matematico elettro-termico per descrivere il funzionamento della cella agli ioni di litio su cui si è implementato uno stimatore di stati set-based, utilizzando come set gli zonotopi vincolati. Quest'ultimi sono una rappresentazione snella e efficiente di set convessi e non simmetrici. È stata scelta la metodologia di stima set-based perché permette di tenere in considerazione le incertezze dovute ai disturbi di processo e/o di misura all'interno del sistema. Infine, tale metodologia è stata utilizzata per la detenzione di tre specifici guasti termici.