Equilibri de rendiment i seguretat: una anàlisi exhaustiva de les característiques tèrmiques de descàrrega de càrrega del paquet de bateries d'ions de liti de 48 V

Aquest article utilitza 25 termoparells per estudiar experimentalment la distribució de la temperatura i el comportament d'un paquet de bateries d'ions de liti de 48 V durant dos cicles de descàrrega de càrrega. Els resultats indiquen que es produeix una millor transferència de calor convectiva a la superfície exterior de l'envàs, mentre que la bateria del mig assoleix la seva temperatura màxima. També es van observar diferències en el comportament dels tres mòduls. El cicle de descàrrega mostra un augment de temperatura de 5,8 graus C, i el gradient de temperatura de la bateria augmenta d'1,3 graus C a 2,7 graus C. Aquest estudi posa l'accent en la importància d'avaluar el comportament tèrmic de cada mòdul i la complexitat dels ions de liti. sistemes de bateria. En el mateix estudi, els descobriments sobre bateries, mòduls i paquets de bateries poden proporcionar informació valuosa per dissenyar sistemes de refrigeració eficients per a bateries d'ió de liti.

1. Introducció

Bateries de ions de liti:Les bateries recarregables d'ions de liti es consideren dispositius d'emmagatzematge d'energia adequats per a vehicles híbrids suaus a causa de la seva alta densitat d'energia, potència específica, lleugeresa, baixa taxa d'autodescàrrega, alta reciclabilitat i llarga vida útil. En els últims 13 anys, el preu de les bateries d'ió de liti ha disminuït significativament. Tanmateix, la temperatura elevada i la distribució desigual de la temperatura són els principals problemes de les bateries d'ions de liti, i la temperatura té un paper important en el seu cicle de vida i capacitat energètica.

Deficiències de la investigació anterior:Estudis anteriors sobre el comportament tèrmic de les bateries d'ió de liti en vehicles híbrids suaus es van centrar principalment en bateries individuals o paquets de bateries, sense una anàlisi detallada de l'impacte dels paràmetres externs (com la presència d'altres bateries) en el comportament tèrmic de les bateries. A més, l'abast de la investigació sobre el comportament tèrmic dels paquets de bateries d'ions de liti de 48 V és limitat i hi ha una manca d'estudis experimentals sobre la distribució detallada de la temperatura de tot el paquet de bateries.

L'objectiu d'aquest estudi:és investigar experimentalment el comportament tèrmic d'un paquet de bateries d'ions de liti de 48 V mitjançant dos cicles complets de descàrrega de càrrega. Utilitzant 25 termoparells per mesurar en diferents llocs dins del paquet de bateries, esperem oferir informació valuosa sobre la generació de calor del paquet de bateries i ajudar a seleccionar el sistema de refrigeració de la bateria adequat.

2. Determinació experimental

Paràmetres de la bateria de ions de liti:Les bateries d'ions de liti solen estar compostes per un ànode, càtode, electròlit i col·lector de corrent. A la indústria de l'automòbil s'utilitzen bateries cilíndriques, prismàtiques i en forma de bossa, i els dissenys prismàtics poden millorar la utilització de l'espai i la flexibilitat. Aquest estudi va utilitzar una bateria prismàtica d'ions de liti NCM amb una capacitat nominal de 8,23 Ah. El paquet de bateries consta de 36 bateries connectades en una configuració 12s3p, que té els avantatges d'una instal·lació fàcil, modularitat, seguretat i compacitat, impacte mínim en el pes del vehicle i alta rendibilitat.

Disseny experimental:El dispositiu de prova experimental inclou un paquet de bateries, un simulador de bateria AVL d'alta tensió i corrent controlat pel sistema AVL PUMA, un sensor de temperatura tipus K amb dos mòduls d'adquisició de dades (ES620 ETAS) i una unitat informàtica per al seguiment i emmagatzematge de dades. Utilitzeu 25 termoparells per controlar la temperatura de la bateria, amb punts de mesura situats als tres mòduls de la bateria. Els termoparells ajuden a detectar els canvis de temperatura entre els terminals positiu i negatiu de la mateixa bateria.

Cicles de càrrega i descàrrega:Es van realitzar dues proves completes de cicle de càrrega i descàrrega amb temperatures inicials i estats de càrrega (SoC) de 26 graus C i 47%, respectivament. Els corrents màxim i mínim eren de 237 A i -237A, respectivament. El SoC va assolir el doble dels valors més alt i més baix, és a dir, el 91% i el 10%, i la prova va acabar quan el SoC va assolir el valor inicial. Per evitar la fallada tèrmica de la bateria a altes temperatures, la prova es va finalitzar quan la temperatura arribava als 40 graus C. En aquest estudi, el límit de temperatura es va assolir al final del segon cicle.

Antecedents teòrics:L'efecte de la temperatura de les bateries està relacionat amb els materials interns i les reaccions químiques. La generació tèrmica de bateries d'ions de liti a temperatures normals està relacionada amb la transferència de càrrega i les reaccions químiques durant els processos de càrrega i descàrrega. La generació tèrmica inclou processos reversibles (calor d'entropia) i processos irreversibles. Segons les lleis de la termodinàmica, el comportament transitori de la calor generada dins d'una bateria pot provocar diferents canvis de temperatura. Per estudiar el comportament tèrmic de les bateries d'ions de liti i els paquets de bateries, es va definir una convenció de denominació i paràmetres relacionats per a la temperatura, com ara la temperatura màxima, la temperatura mínima, la diferència de temperatura i la temperatura mitjana.

3. Resultats

SOC i voltatge

La figura següent mostra la tensió, el corrent i el SoC de la bateria. El temps de prova es divideix en 8 parts de dos cicles, amb LD, EC, LC i ED que representen la descàrrega tardana, la càrrega primerenca, la càrrega tardana i la descàrrega anticipada, respectivament. A la primera part LD1, el corrent és -237A, i la bateria i la tensió de la bateria disminueixen; A la secció EC1, el corrent és de 237A, el SoC arriba al 33% i la tensió de la bateria augmenta; A la secció LC1, el corrent baixa a 33A i augmenta la tensió de la bateria; A la secció ED1, el corrent és -237A, i el SoC i la tensió disminueixen. En el segon cicle, el corrent, el SoC i la tensió de la bateria van mostrar una evolució temporal similar a la del primer cicle, i la prova va acabar a 2105 s.

Els paquets de bateries d'ions de liti solen requerir llargs períodes de corrent constant elevat en aplicacions pràctiques, de manera que BMS reduirà la sortida per garantir la seguretat. La figura anterior mostra una disminució sobtada del límit de corrent durant la fase de càrrega tardana a causa de la gestió tèrmica de la bateria.

Rendiment tèrmic

La figura a mostra l'historial temporal de la temperatura de 8 termoparells al mòdul 1. Els valors de T1 i +12 es trobaven a la meitat de l'interval de temperatura del mòdul al començament de la prova, però van baixar al mínim al final de la prova. prova. T1 i -01 eren iguals a Tmin al començament del primer cicle, i la temperatura de la bateria al centre del mòdul era la més alta.

La figura b mostra la distribució de la temperatura del mòdul 2, on T2, -12 és Tmin, T2,+01 és la segona temperatura més baixa i T2,+04 és Tmax.

La figura c mostra la distribució de la temperatura del mòdul 3, on T3, -01 és Tmin, T3,+12 és la segona temperatura més baixa, T3,+04, T3, -06, i T3, -07 és Tmàx.

La figura següent mostra l'historial temporal de la temperatura mitjana, la temperatura màxima, la temperatura mínima i la diferència de temperatura de la bateria i de cada mòdul. La Trise de la bateria a EC1 i EC2 és d'1,6 graus C i 1,2 graus C, respectivament. Durant el cicle complet de descàrrega (combinació de ED1 i LD2), la Trise és d'aproximadament 5,8 graus C. El ∆ T màxim és de 2,0 graus C i 3,2 graus C al final de EC1 i EC2, respectivament, mentre que el ∆ T mínim és 1,3 graus C i 2,2 graus C al final del primer i segon cicle de càrrega completa, respectivament T es pot dividir en la diferència entre Tmax i Tavg, així com la diferència entre Tavg i Tmin. La diferència entre Tavg i Tmin varia linealment quan el corrent canvia significativament, mentre que la diferència entre Tmax i Tavg és sensible al corrent i no lineal.

4. Discussió

Investigació de la bateria:A la mateixa bateria d'ions de liti, la temperatura del terminal positiu és superior a la del terminal negatiu, amb una diferència màxima de temperatura d'uns 0,6 graus C. Aquest fenomen també s'ha esmentat a la literatura. A més, al final dels dos cicles, Tmin apareix a T1,+12 i T1, -01 al mòdul 1, T2, -12 i T2,+01 al mòdul 2 i T3, -01 i T3,+12 al mòdul 3. Això indica que Tmin apareix a la bateria externa de la bateria, a causa d'una millor transferència de calor per convecció i efecte de refrigeració. a la superfície del límit del mòdul en comparació amb la temperatura ambient. I la Tmax de cada mòdul apareix a la bateria del mig, però això no és simètric, indicant el comportament dinàmic i la no uniformitat de la temperatura de cada bateria. Aquest fenomen il·lustra la complexitat d'aquest sistema dinàmic i posa l'accent en la importància d'avaluar el comportament de la temperatura de tots els mòduls de la bateria.

Mòdul de recerca:El Tavg del mòdul 1 és superior al del paquet de bateries a la primera meitat de LD, EC, ED i LC, cosa que indica que el mòdul 1 és més sensible a corrents elevats que altres mòduls, genera més calor, augmenta més ràpidament la temperatura, i intercanvia calor millor que altres mòduls. Això indica la complexitat del sistema de la bateria, i el comportament tèrmic de cada mòdul s'ha d'estudiar i inspeccionar per separat.

Investigació de la bateria:A les bateries, mòduls i paquets de bateries d'ions de liti, la temperatura sempre augmenta en ED, LD i EC. Per tant, Tmax apareix no només a la meitat de LC1 i LC2, sinó també al final de EC1 i EC2. En altres paraules, quan hi ha un corrent elevat, la temperatura augmentarà perquè més ions de liti haurien de moure's per la membrana i generar més calor. Per tant, al començament dels LC, hi haurà una caiguda de temperatura, seguida de l'observació del comportament quasi estacionari de la temperatura.

Durant el cicle de descàrrega complet entre dos cicles de càrrega, la temperatura augmenta monòtonament; En general, Trise va augmentar 5,8 graus C des del seu valor inicial de 31,8 graus C. A més, ∆ T també va mostrar la mateixa tendència a l'alça d'1,3 graus C a 2,7 graus C. Això es deu a l'elevat corrent basat en l'equació (2) durant aquest període, així com la sensibilitat del mòdul 1 al corrent. A més, els patrons de Trise en els dos cicles de càrrega van mostrar tendències similars. Al principi, puja, després baixa i finalment manté una temperatura quasi estacionària. Per tant, quan s'aplica un corrent més alt al paquet de bateries, s'aconseguiran Trise i ∆ T més alts.

∆ T es pot dividir en la diferència entre Tmax i Tavg, així com la diferència entre Tavg i Tmin. Tmax és molt sensible als gradients de temperatura i varia amb el temps, mentre que Tmin és menys sensible als canvis de corrent. Per tant, la part més important del canvi de temperatura a la bateria es deu al comportament de Tmax. En altres paraules, la diferència entre Tavg i Tmin varia linealment quan hi ha una diferència significativa de corrent i el pendent canvia. La diferència entre Tmax i Tavg és molt sensible al corrent, i el pendent augmentarà amb el temps. Per tant, en el segon escenari, llevat de variacions significatives en grans diferències de corrent, ∆ T no presenta cap comportament lineal tant en corrents constants com dinàmics. El treball futur s'hauria de centrar en el desenvolupament de sistemes de refrigeració eficients i en l'exploració de diferents estratègies de gestió tèrmica per millorar el rendiment i la seguretat dels paquets de bateries d'ió de liti a partir dels resultats obtinguts d'aquest estudi.

5. Resum

Aquest article estudia el comportament tèrmic dels paquets de bateries d'ions de liti de 48 V sota corrent dinàmic, que és crucial per entendre el funcionament segur i fiable dels paquets de bateries d'ions de liti, especialment en aplicacions que requereixen una gran potència i densitat d'energia.

Els resultats experimentals indiquen que el comportament de la temperatura de la bateria és complex i no lineal, amb diferències entre diferents bateries, mòduls i tot el paquet de bateries. La temperatura fora de la bateria és inferior a la bateria interna a causa d'una millor transferència de calor convectiva, i la temperatura del terminal positiu d'una sola bateria és superior a la temperatura del terminal negatiu. Un mòdul és més sensible als corrents elevats, el que resulta en un augment més ràpid de la temperatura i la generació de calor, que només es pot obtenir estudiant tots els mòduls del mateix paquet de bateries d'ions de liti.

El comportament de la temperatura de la bateria està influenciat principalment per Tmax, que és més sensible al corrent. Trise es deu principalment a l'elevat corrent i a la calor generada pel moviment dels ions de liti a través del separador. La diferència entre Tmin i Tavg varia linealment sota corrent constant, mentre que la diferència entre Tmax i Tavg varia de manera no lineal sota canvis de corrent, especialment amb grans diferències de corrent.

En general, els resultats de la investigació indiquen la importància d'examinar i avaluar individualment el comportament tèrmic de cada bateria, mòdul i tot el paquet de bateries per entendre la complexitat i el comportament no lineal dels paquets de bateries d'ió de liti sota corrents dinàmiques. Els resultats d'aquest estudi contribuiran al desenvolupament de sistemes de gestió tèrmica de bateries més eficients i fiables per a paquets de bateries d'ions de liti en aplicacions d'automoció en el futur. A l'hora de determinar estratègies i paràmetres de gestió tèrmica de la bateria, cal tenir en compte les diferències entre el mòdul Tavg, la dependència de Tavg de Tmax i l'impacte de la ubicació de la bateria en els seus canvis de temperatura.