Vyvážení výkonu a bezpečnosti: Komplexní analýza tepelných charakteristik nabíjení a vybíjení 48V lithium-iontové baterie

Tento článek používá 25 termočlánků k experimentálnímu studiu rozložení teploty a chování 48V lithium-iontové (Li ion) baterie během dvou cyklů nabíjení a vybíjení. Výsledky naznačují, že na vnějším povrchu obalu dochází k lepšímu přenosu tepla konvekcí, zatímco střední baterie dosahuje své maximální teploty. Rozdíly byly také pozorovány v chování těchto tří modulů. Vybíjecí cyklus ukazuje zvýšení teploty o 5,8 °C a teplotní gradient baterie se zvýší z 1,3 °C na 2,7 °C. Tato studie zdůrazňuje důležitost vyhodnocení tepelného chování každého modulu a složitost lithium-iontových systémy bateriových sad. Ve stejné studii mohou objevy o bateriích, modulech a bateriových sadách poskytnout cenné poznatky pro navrhování účinných chladicích systémů pro lithium-iontové baterie.

1. Úvod

Lithium-iontové baterie:Dobíjecí lithium-iontové baterie jsou považovány za vhodná zařízení pro ukládání energie pro vozidla s mírným hybridním pohonem díky jejich vysoké hustotě energie, specifickému výkonu, nízké hmotnosti, nízké rychlosti samovybíjení, vysoké recyklovatelnosti a dlouhé životnosti. Za posledních 13 let se cena lithium-iontových baterií výrazně snížila. Vysoká teplota a nerovnoměrné rozložení teplot jsou však hlavními problémy lithium-iontových baterií a teplota hraje důležitou roli v jejich životním cyklu a energetické kapacitě.

Nedostatky předchozího výzkumu:Předchozí studie o tepelném chování lithium-iontových baterií v mírných hybridních vozidlech se zaměřovaly především na jednotlivé baterie nebo bateriové sady, postrádaly podrobnou analýzu dopadu vnějších parametrů (jako je přítomnost jiných baterií) na tepelné chování baterií. Kromě toho je rozsah výzkumu tepelného chování 48V lithium-iontových bateriových sad omezený a chybí experimentální studie o podrobném rozložení teploty celé bateriové sady.

Účel této studie:je experimentálně prozkoumat tepelné chování 48V lithium-iontové baterie prostřednictvím dvou úplných cyklů nabití a vybití. Doufáme, že pomocí 25 termočlánků k měření na různých místech v rámci bateriové sady poskytneme cenné poznatky o tvorbě tepla bateriové sady a pomůžeme vybrat vhodný systém chlazení baterie.

2. Experimentální stanovení

Parametry lithium-iontové baterie:Lithium-iontové baterie se obvykle skládají z anody, katody, elektrolytu a sběrače proudu. V automobilovém průmyslu se používají baterie válcového, hranolového a pouzdrového tvaru a prizmatické konstrukce mohou zlepšit využití prostoru a flexibilitu. V této studii byla použita prizmatická lithium-iontová baterie NCM s nominální kapacitou 8,23 Ah. Baterie se skládá z 36 baterií zapojených v konfiguraci 12s3p, která má výhody snadné instalace, modularity, bezpečnosti a kompaktnosti, minimálního dopadu na hmotnost vozidla a vysoké hospodárnosti.

Experimentální rozvržení:Experimentální testovací zařízení obsahuje bateriový blok, vysokonapěťový vysokoproudý bateriový simulátor AVL řízený systémem AVL PUMA, teplotní senzor typu K se dvěma moduly sběru dat (ES620 ETAS) a počítačovou jednotku pro monitorování a ukládání dat. Ke sledování teploty baterie použijte 25 termočlánků s měřicími body umístěnými ve třech modulech sady baterií. Termočlánky pomáhají detekovat změny teploty mezi kladným a záporným pólem stejné baterie.

Cykly nabíjení a vybíjení:Byly provedeny dva testy kompletního nabíjecího a vybíjecího cyklu s počátečními teplotami a stavy nabití (SoC) 26 °C a 47 %, v tomto pořadí. Maximální a minimální proudy byly 237A, respektive -237A. SoC dosáhl dvojnásobku nejvyšší a nejnižší hodnoty, tedy 91 % a 10 %, a test skončil, když SoC dosáhl počáteční hodnoty. Aby se zabránilo tepelnému selhání baterie při vysokých teplotách, byl test ukončen, když teplota dosáhla 40 °C. V této studii bylo teplotního limitu dosaženo na konci druhého cyklu.

Teoretický základ:Teplotní vliv baterií souvisí s vnitřními materiály a chemickými reakcemi. Tepelné generování lithium-iontových baterií za normálních teplot souvisí s přenosem náboje a chemickými reakcemi během procesů nabíjení a vybíjení. Tepelná tvorba zahrnuje vratné procesy (entropické teplo) a nevratné procesy. Podle zákonů termodynamiky může přechodné chování tepla generovaného uvnitř baterie vést k různým teplotním změnám. Pro studium tepelného chování lithium-iontových baterií a bateriových sad byla definována konvence pojmenování a související parametry pro teplotu, jako je maximální teplota, minimální teplota, teplotní rozdíl a průměrná teplota.

3. Výsledky

SOC a napětí

Obrázek níže ukazuje napětí, proud a SoC baterie. Doba testování je rozdělena do 8 částí dvou cyklů, přičemž LD, EC, LC a ED představují pozdní vybití, včasné nabití, pozdní nabití a předčasné vybití. V první části LD1 je proud -237A a baterie a napětí baterie se snižují; V sekci EC1 je proud 237A, SoC dosahuje 33% a napětí baterie se zvyšuje; V sekci LC1 klesne proud na 33A a zvýší se napětí bateriové sady; V sekci ED1 je proud -237A a SoC a napětí se snižují. Ve druhém cyklu vykazovaly proud, SoC a napětí baterie podobný časový vývoj jako v prvním cyklu a test skončil na 2105 s.

Lithium-iontové baterie obvykle vyžadují v praktických aplikacích dlouhá období vysokého konstantního proudu, takže BMS sníží výkon, aby byla zajištěna bezpečnost. Obrázek výše ukazuje náhlý pokles limitu proudu během pozdní fáze nabíjení kvůli řízení teploty baterie.

Tepelný výkon

Obrázek a ukazuje časovou historii teplot 8 termočlánků v modulu 1. Hodnoty T1 a +12 byly na začátku testu uprostřed teplotního rozsahu modulu, ale na konci testu klesly na nejnižší hodnotu. test. T1 a -01 se rovnaly Tmin na začátku prvního cyklu a teplota baterie uprostřed modulu byla nejvyšší.

Obrázek b ukazuje rozložení teploty modulu 2, kde T2, -12 je Tmin, T2,+01 je druhá nejnižší teplota a T2,+04 je Tmax.

Obrázek c ukazuje rozložení teploty modulu 3, kde T3, -01 je Tmin, T3,+12 je druhá nejnižší teplota, T3,+04, T3, -06, a T3, -07 je Tmax.

Obrázek níže ukazuje časovou historii průměrné teploty, maximální teploty, minimální teploty a teplotního rozdílu baterie a každého modulu. Trise baterie v EC1 a EC2 je 1,6 stupně C, respektive 1,2 stupně C. Během úplného vybíjecího cyklu (kombinace ED1 a LD2) má Trise přibližně 5,8 stupně C. Maximální ∆ T je 2.0 stupně C a 3,2 stupně C na konci EC1 a EC2, zatímco minimální ∆ T je 1,3 stupně C a 2,2 stupně C na konci prvního a druhého úplného nabíjecího cyklu, respektive T lze rozdělit na rozdíl mezi Tmax a Tavg, stejně jako rozdíl mezi Tavg a Tmin. Rozdíl mezi Tavg a Tmin se mění lineárně, když se proud výrazně mění, zatímco rozdíl mezi Tmax a Tavg je citlivý na proud a nelineární.

4. Diskuse

Výzkum baterií:Ve stejné lithium-iontové baterii je teplota kladného pólu vyšší než teplota záporného pólu, přičemž maximální teplotní rozdíl je asi 0,6 stupně C. Tento jev byl také zmíněn v literatuře. Kromě toho se na konci těchto dvou cyklů objeví Tmin v T1,+12 a T1, -01 v modulu 1, T2, -12 a T2,+01 v modulu 2 a T3, -01 a T3,+12 v modulu 3. To znamená, že se na externí baterii bateriového bloku objeví Tmin kvůli lepšímu přenosu tepla prouděním a chlazení na modulu hraniční povrch ve srovnání s okolní teplotou. A Tmax každého modulu se objeví ve střední baterii, ale není symetrická, což ukazuje na dynamické chování a teplotní nerovnoměrnost každé baterie. Tento jev ilustruje složitost tohoto dynamického systému a zdůrazňuje důležitost vyhodnocení teplotního chování všech modulů v bateriovém bloku.

Výzkum modulu:Tavg modulu 1 je vyšší než u baterie v první polovině LD, EC, ED a LC, což naznačuje, že modul 1 je citlivější na vysoké proudy než jiné moduly, generuje více tepla, rychleji stoupá teplota, a vyměňuje teplo lépe než jiné moduly. To ukazuje na složitost systému bateriové sady a tepelné chování každého modulu by mělo být studováno a kontrolováno samostatně.

Výzkum baterií:U lithium-iontových baterií, modulů a bateriových sad se teplota v ED, LD a EC vždy zvyšuje. Proto se Tmax objevuje nejen uprostřed LC1 a LC2, ale také na konci EC1 a EC2. Jinými slovy, když je vysoký proud, teplota se zvýší, protože membránou by se mělo pohybovat více iontů lithia a generovat více tepla. Proto na začátku LC dojde k poklesu teploty, po kterém bude následovat pozorování chování teploty v kvazi ustáleném stavu.

Během úplného vybíjecího cyklu mezi dvěma nabíjecími cykly se teplota monotónně zvyšuje; Celkově se Trise zvýšil o 5,8 stupně C ze své původní hodnoty 31,8 stupně C. Kromě toho ∆ T také vykazovala stejný vzestupný trend z 1,3 stupně C na 2,7 stupně C. To je způsobeno vysokým proudem na základě rovnice (2) během této doby, stejně jako citlivost modulu 1 na proud. Navíc vzory Trise ve dvou nabíjecích cyklech vykazovaly podobné trendy. Na začátku stoupá, pak klesá a nakonec udržuje teplotu v kvazi ustáleném stavu. Proto, když je na baterii aplikován vyšší proud, bude dosaženo vyšší Trise a ∆ T.

∆ T lze rozdělit na rozdíl mezi Tmax a Tavg a také na rozdíl mezi Tavg a Tmin. Tmax je vysoce citlivý na teplotní gradienty a mění se v čase, zatímco Tmin je méně citlivý na změny proudu. Proto je nejdůležitější část změny teploty v akumulátoru způsobena chováním Tmax. Jinými slovy, rozdíl mezi Tavg a Tmin se mění lineárně, když je významný rozdíl v proudu a mění se strmost. Rozdíl mezi Tmax a Tavg je velmi citlivý na proud a sklon se bude časem zvyšovat. Proto ve druhém scénáři, kromě významných změn ve velkých rozdílech proudu, ∆ T nevykazuje žádné lineární chování jak v konstantních, tak dynamických proudech. Budoucí práce by se měla zaměřit na vývoj účinných chladicích systémů a zkoumání různých strategií tepelného managementu pro zlepšení výkonu a bezpečnosti lithium-iontových baterií na základě výsledků získaných z této studie.

5. Shrnutí

Tento článek studuje tepelné chování 48V lithium-iontových baterií pod dynamickým proudem, což je klíčové pro pochopení bezpečného a spolehlivého provozu lithium-iontových baterií, zejména v aplikacích, které vyžadují vysoký výkon a hustotu energie.

Experimentální výsledky naznačují, že teplotní chování baterie je složité a nelineární, s rozdíly mezi různými bateriemi, moduly a celou baterií. Teplota vně baterie je nižší než teplota vnitřní baterie kvůli lepšímu přenosu tepla prouděním a teplota kladných pólů jedné baterie je vyšší než teplota záporných pólů. Modul je citlivější na vysoké proudy, což má za následek rychlejší nárůst teploty a tvorbu tepla, což lze získat pouze studiem všech modulů ve stejné lithium-iontové baterii.

Teplotní chování baterie je ovlivněno především Tmax, která je citlivější na proud. Trise je způsobeno především vysokým proudem a teplem generovaným pohybem iontů lithia separátorem. Rozdíl mezi Tmin a Tavg se mění lineárně při konstantním proudu, zatímco rozdíl mezi Tmax a Tavg se mění nelineárně při změnách proudu, zejména při velkých rozdílech proudu.

Celkově výzkumná zjištění naznačují důležitost individuálního zkoumání a vyhodnocování tepelného chování každé baterie, modulu a celé bateriové sady, abychom pochopili složitost a nelineární chování lithium-iontových bateriových sad při dynamických proudech. Výsledky této studie přispějí k vývoji účinnějších a spolehlivějších systémů tepelného managementu baterií pro lithium-iontové baterie v automobilových aplikacích v budoucnosti. Při určování strategií a parametrů tepelného managementu baterie je nutné vzít v úvahu rozdíly mezi modulem Tavg, závislost Tavg na Tmax a vliv umístění baterie na její teplotní změny.