93732 - ELECTROMECHANICAL ENERGY STORAGE AND CONVERSION M

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2020/2021

Conoscenze e abilità da conseguire

In this course students: 1. Learn the fundamentals of cell electrochemistry, the materials characteristics and main issues related to the manufacturing process. 2. Classify the possible cell chemistry and technology in relation to the range of application in the automotive sector. 3. Learn modelling methodology for representing the cell output characteristic and the variability of cell parameters. 4. Understanding main issues related to the pack formation by series/parallel connection of cells. 5. Learn the sizing criteria for a battery pack. 6. Understand the most innovative electrochemical storage technology. 7. Learn the fundamental principle and sizing method for energy storage systems not based on electrochemical batteries: supercapacitors and flywheel.

Contenuti

Il corso è diviso in due moduli tenuti da due diversi docenti:

Prof.ssa Francesca Soavi, Elettrochimica dei sistemi di conversione accumulo dell’energia, 3 CFU

Prof. Davide Pontara, Applicazione delle batterie nel trasporto, 3CFU

I docenti copriranno in maniera esaustiva e senza discontinuità il programma riportato qui sotto, per chiarezza, in maniera compatta.

Batterie a ioni di litio. Tecnologia

Reazioni elettrochimiche di base.

Proprietà chimico-fisiche e reattività dei diversi componenti: catodo, anodo, separatore e elettrolita.

Funzionamento, stabilità, sicurezza ed invecchiamento delle batterie litio-ione.

Caratteristiche degli elementi accessori: collettore, contenitore, sistemi di protezione.

Protocolli standard di caratterizzazione e di validazione.

Selezione della tecnologia per le diverse applicazioni (LIFePO4, Li-ossidi metallici).

Nuove tipologie di batterie, es. litio-aria.

Caratteristiche ed entità del settore produttivo delle batterie al litio e loro utilizzo.

Classificazione dei sistemi di accumulo in funzione di applicazione in ambito automobilistico (BEV, HEV, PHEV) e loro collocazione sul diagramma di Ragone.

Batterie a Ioni di litio. Modello

Modello semplificato ed accurato a parametri concentrati di una cella al litio.

Stima del livello di carica (SOC) di una batteria al litio.

Influenza di SOC, numero di cicli, temperatura, durata di vita sui parametri di cella.

Effetto della variabilità dei parametri sulla caratteristica esterna della cella.

Metodi di determinazione dei parametri di cella da prove sperimentali.

Valutazione prestazionale della cella al litio.

Limiti di funzionamento durante i processi di carica e scarica.

Pacco batteria e sistema di gestione batterie

Criteri di selezione della tensione ottimale del pacco.

Criteri di dimensionamento di pacchi batteria mediante connessione di celle in serie/parallelo.

Effetto della dispersione dei parametri di cella nella definizione delle condizioni di limitazione di carica e scarica.

Equalizzazione delle batterie.

Equalizzazione attiva e passiva.

Funzionalità richieste ad un sistema di gestione batteria (BMS) e interfacciamento con altri sistemi di conversione.

Architetture possibili per BMS

Controllo termico del pacco batteria.

Funzioni di sicurezza e normativa di riferimento nella gestione delle celle al lito.

Altri sistemi di accumulo.

Sistemi di accumulo ad elevata densità di potenza: supercondensatore, volano (KERS).

Caratteristiche generali, problematiche costruttive e di impiego. Modelli semplificati. Esempi di dimensionamento di sistemi per applicazione automobilistica.

Testi/Bibliografia

A lezione verranno date indicazioni sui testi di riferimento, tutti disponibili nelle biblioteche. Verranno inoltre forniti articoli e review di supporto.

Metodi didattici

Lezioni frontali in cui verranno affrontati alcuni aspetti di base dei sistemi elettrochimici di accumulo e conversione dell'energia, lo stato della tecnologia di alcuni dispositivi e alcuni aspetti della ricerca e sviluppo di materiali per batterie al litio e  supercondensatori.

Sono previste esercitazioni pratiche al calcolatore per la realizzazione dei modelli numerici dei diversi sistemi di accumulo e prove pratiche in laboratorio per la determinazione a banco dei parametri di cella.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La prova finale è orale e mira a verificare, sulla base di un argomento a scelta dello studente e di due o più domande sui principali argomenti trattati, sia l'acquisizione delle conoscenze previste dal programma del corso che la capacità dello studente di sapersi muovere all'interno degli argomenti trattati, anche utilizzando il materiale bibliografico fornito dal docente.

Strumenti a supporto della didattica

Verranno fornite le presentazioni in power point utilizzate durante le lezioni e materiale di approfondimento. Tale materiale viene messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite internet. Le presentazioni in power point utilizzate durante le lezioni saranno caricate in anticipo rispetto alle lezioni corrispondenti. Si suggerisce di stampare le presentazioni e portarle a lezione.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Francesca Soavi

Consulta il sito web di Davide Pontara