Modellazione Multi-Fisica dei Meccanismi di Failure di una Batteria per Applicazioni Strutturali Multifunzionali = Multi-physical Modelling of the Failure Mechanisms of a Battery for Multifunctional Structural Applications

L'utilizzo di energie rinnovabili è uno degli argomenti ingegneristici più importanti e problematici dei nostri tempi. Sebbene l'apparato industriale aerospaziale sia da sempre sensibile al tema dell'efficienza energetica, ad oggi si è ancora lontani dal parlare di un settore a basso impatto climatico. La propulsione elettrica può rappresentare il salto qualitativo che permetterebbe di avvicinarsi ad uno status di sostenibilità più concreto rispetto a quello attuale, ma introduce alcune complessità ingegneristiche. Le batterie agli ioni di Litio rappresentano al momento uno dei sistemi di storage elettrico più affidabili ed energeticamente efficienti. I fattori critici nell'utilizzo di questi componenti in ambito aerospaziale sono principalmente legati al peso ed alla bassa densità energetica ottenibile se confrontati ai tipici combustibili. L’idea è quella di velocizzare il design di nuove architetture aerospaziali attraverso elementi strutturali con funzioni energetiche integrate; il presente lavoro riguarda pertanto lo sviluppo e la validazione di un modello numerico multi-fisico in grado di simulare il comportamento di componenti strutturali multifunzionali. In questo contesto è fondamentale la comprensione e l'analisi dei principali meccanismi di failure di una batteria. Si definisce quindi un approccio numerico multi-fisico, modellato in ambiente LS-DYNA, che processerà il problema sulla base delle reciproche interazioni tra fenomeni strutturali, termici ed elettromagnetici. La complessità di una modellazione di questo tipo risiede nella gestione e definizione degli input dei tre differenti ambiti fisici. La descrizione del comportamento elettromagnetico della batteria è basata su un approccio semi-empirico detto Randles Circuit Model - RCM. Tale metodo permette di discretizzare la dinamica della batteria attraverso un circuito equivalente costituito da un generatore di tensione, una resistenza interna e uno o più anelli resistenza-capacità. I parametri di input del RCM necessitano però di misurazioni e successive ottimizzazioni dell'impronta caratteristica della dinamica elettrica di una batteria reale. A tale scopo si imbastisce una campagna di calibrazione sperimentale basata su test Hybrid Pulse Power Characterization - HPPC condotta nei laboratori del DIMEAS al Politecnico di Torino. Per garantire una buona riproduzione del fenomeno termico, i test HPPC sono ripetuti su provini batteria in diverse temperature ambiente. Il comportamento termo - meccanico del modello viene successivamente validato attraverso set di analisi numeriche mirate alla simulazione di un componente strutturale multifunzionale ad uso spaziale. Il funzionamento del modello in condizioni nominali prevede la soluzione elettromagnetica in ogni RCM trasversale generato su nodi opposti della mesh. Il gradiente di temperatura prodotto elettricamente verrà aggiornato dal solutore termico ed andrà a costituire un termine aggiuntivo alle deformazioni meccaniche. Lo scopo del modello numerico è quello di riprodurre le condizioni di thermal runaway generate da scenari critici che i carichi meccanici e termici possono innescare sul componente elettrico. L’obiettivo viene perseguito implementando funzioni ad-hoc che simulano condizioni di trigger del corto circuito pilotato da criteri meccanici e termici. L’output del lavoro presentato offre una base per future indagini numeriche e sperimentali che possano istruire un sistema di controllo di gestione e prevenzione del faiulre.