Revelació de la tecnologia de voltatge diferencial: com predir de manera eficient els canvis de temperatura dins de les bateries d'ions de liti

Resum

El rendiment de les bateries d'ions de liti depèn en gran mesura de la temperatura de funcionament de la bateria. Tanmateix, les dades de temperatura que s'obtenen normalment es mesuren mitjançant termoparells connectats a la superfície de la bateria, que poden no reflectir amb precisió la temperatura real dins de la bateria, especialment a temperatures ambient baixes i altes taxes de descàrrega. Aquest article introduirà un mètode innovador que utilitza tecnologia de tensió diferencial per predir la temperatura interna d'una bateria de paquet suau d'ions de liti de 40 Ah. La diferència entre les mesures de temperatura interna i externa depèn de la velocitat de descàrrega i de la temperatura ambient. Durant el procés de descàrrega contínua, la diferència entre la superfície i la temperatura mesurada augmenta en l'etapa inicial de la descàrrega, arriba al seu màxim a l'etapa mitjana i després disminueix a l'etapa tardana de la descàrrega. Els resultats d'aquest estudi poden donar suport activament a les estratègies de control en sistemes de gestió de bateries (BMS).

1. Introducció

Amb la creixent atenció als problemes mediambientals i el compromís dels governs per reduir les emissions, els vehicles elèctrics (EV) es valoren cada cop més com una solució potencial. Un dels factors clau per al seu èxit és el sistema d'emmagatzematge d'energia (ESS) utilitzat. L'ESS ideal hauria de tenir una alta densitat d'energia i potència, una vida útil excel·lent i demostrar fiabilitat en diverses condicions de funcionament, com ara cicles de conducció, temperatura, etc. En la tecnologia de bateries comercials, les bateries d'ió de liti s'han convertit en l'opció preferida per als vehicles elèctrics purs (BEV). ) pel seu volum i pes més alts d'energia/densitat de potència.

Els BEV basats en bateries d'ions de liti reduiran significativament el seu abast i rendiment de potència en condicions de baixa temperatura i alta taxa de C. Els motius de la degradació del rendiment inclouen la disminució de la conductivitat de l'electròlit, la disminució de la difusió del liti en estat sòlid, l'alta polarització dels ànodes de grafit i la cinètica de transferència de càrrega lenta. En l'estudi de bateries d'ions de liti de 2,2 Ah 18650, el rendiment electroquímic de la bateria depèn molt de la seva temperatura de funcionament. Tanmateix, la temperatura de funcionament de les bateries normalment es mesura mitjançant termoparells connectats a la superfície de la bateria, que poden no reflectir amb precisió els processos electroquímics dins de la bateria. La mesura de tensió diferencial (DV) s'utilitza per inferir l'alineació estequiomètrica dels elèctrodes a l'equilibri o prop de l'equilibri per detectar la disminució de la capacitat. Per evitar el fenomen de transferència de càrrega, s'ha d'evitar un corrent elevat. DV representa la variació de tensió per unitat de capacitat de descàrrega (dV/dQ), que reflecteix l'impacte acumulat de les condicions de funcionament (temperatura ambient, velocitat C, SOC, impedància i autoescalfament) a la bateria.

L'objectiu d'aquest article és utilitzar la tecnologia DV per predir la "resistència efectiva" de les bateries sota diferents corrents de descàrrega contínua a temperatures ambient que oscil·len entre -20 i 25 graus C i, a continuació, predir la seva temperatura interna. La desviació entre les temperatures de superfície de la bateria interna i mesurada està directament relacionada amb el corrent de descàrrega i disminueix amb la disminució de la temperatura ambient. Aquestes prediccions poden ajudar a millorar la precisió de l'estimació de la temperatura de la bateria i millorar les estratègies de control dins dels sistemes de gestió de la bateria (BMS).

2. Mètodes de recerca

A. Detalls experimentals

Per investigar el comportament de la bateria, es va provar una bateria de paquet suau d'ions de liti amb un pes de 0,97 quilograms amb un elèctrode positiu NMC. La bateria té una tensió nominal de 3,7 volts i una capacitat de 40 amperes-hora. S'instal·la un termoparell de tipus K al centre geomètric de la superfície principal de la bateria del paquet suau. La bateria es col·loca a la cèl·lula calenta Votsch i se sotmet a cicles de càrrega i descàrrega mitjançant un ciclador de bateries Bitrode. La prova es va dur a terme a quatre temperatures ambient diferents: -20 graus C, -10 graus C, 0 graus C i 25 graus C. La càrrega només es realitza a 25 graus C, carregant-se. a una velocitat de 0,5C (20 amperes) fins que la tensió arriba als 4,2 volts. Aleshores, el corrent de càrrega baixa a 0.05C mentre es manté una tensió de 4,2 volts. Els corrents de descàrrega utilitzats inclouen 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C i 8C. Els paràmetres mesurats directament inclouen la tensió de la bateria (V), la capacitat (Ah), la potència (W), l'energia de descàrrega (Wh) i la temperatura de la superfície de la bateria (mesurada) (grau C). La tensió de tall d'aquesta bateria és de 2,7 volts.

B. Per calcular la "temperatura interna" a partir dels paràmetres de mesura mitjançant la tecnologia de tensió diferencial, hem seguit els passos següents per a la predicció de la temperatura interna (vegeu la figura 1):

1. Càlcul del canvi de tensió:Calculeu el canvi de tensió (∆ V) a cada pas de temps.

2. Càlcul efectiu de la resistència:La "resistència efectiva" R és una funció lineal de DV, obtinguda dividint ∆ V pel corrent de descàrrega.

Figura 1. Model simple de generació de calor

3. Càlcul de la generació de calor:Calculeu la calor generada a cada pas de temps Qgen=∆ V ²/R.

4. Càlcul de la conducció de calor:El càlcul de la conducció de calor des del nucli de la bateria fins a la superfície és Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), on k és la conductivitat tèrmica plana de la bateria, A és la superfície, i L és la distància entre el nucli de la bateria i la superfície.

5. Càlcul de transferència de calor convectiva:El càlcul de transferència de calor convectiva a la superfície de la bateria és Qconv=(h × A × (T-Tamb)), on h és el coeficient de transferència de calor convectiva i Tamb és la temperatura ambient.

6. Càlcul del canvi de temperatura:Calculeu el canvi de temperatura ∆ T cada segon com (QGen Qcond QConv)/(m × C). Aquí, t és el pas de temps (en segons), m és 0,97 quilograms i C és la capacitat calorífica. Suposant que Qbond és zero a t=0 segons, després utilitzeu Qbond del pas de temps anterior.

7. Càlcul de la temperatura interna:Calculeu la temperatura interna integrant ∆ T a cada pas de temps.

Aquest mètode proporciona un nou enfocament per predir amb precisió la temperatura interna de les bateries tenint en compte exhaustivament el seu rendiment electroquímic i les característiques tèrmiques, la qual cosa és de gran importància per optimitzar els sistemes de gestió de bateries (BMS) i millorar el rendiment de la bateria.

Taula 1. Paràmetres de la bateria de les bateries de bossa d'ions de liti

3. Resultats i discussió

A. La influència de la taxa C i la temperatura ambient en la capacitat de descàrrega i l'energia de descàrrega

Els resultats experimentals mostren que l'energia alliberada per la bateria disminueix amb l'augment de la taxa de C i la disminució de la temperatura ambient. Això es deu al fet que l'augment de la impedància de la bateria condueix a una disminució més ràpida de la tensió de la bateria, inclosa una disminució de la conductivitat iònica, un augment de la resistència de l'electròlit, una polarització anòdica més alta, una transferència de càrrega més lenta i una difusió insuficient de liti en fase sòlida.

Figura 2. Evolució de la tensió amb energia de descàrrega a diferents temperatures ambientals i velocitats c

Quan es descarrega a 5C a -10 graus C, la tensió augmentarà durant un període de temps considerable durant el cicle de descàrrega. Això es deu al fet que l'autoescalfament fa que la temperatura de la bateria augmenti, donant lloc a una disminució de la resistència de l'electròlit a causa d'un augment de la conductivitat iònica i la velocitat de difusió de la sal, fent que l'energia de descàrrega sigui més alta que durant la descàrrega isotèrmica. A -10 graus C, la capacitat de descàrrega de 5C és un 3,6% superior a 1C, però l'energia de descàrrega és un 2,9% menor; A 0 graus C, la capacitat de descàrrega de 5C és un 1% superior a 1C i l'energia de descàrrega és un 5,3% més baixa, cosa que indica que els beneficis de capacitat que comporta l'autoescalfament es poden sobreestimar i la major part de la capacitat augmentada és utilitzat per escalfar la bateria.

Figura 3. Evolució de la tensió de les bateries amb capacitat de descàrrega a diferents temperatures ambientals i velocitats c

B. La influència de la taxa de C i la temperatura ambient en la predicció de la temperatura interna mitjançant tensió diferencial

Figura 4. Resistència efectiva i energia de descàrrega a diferents temperatures ambientals i velocitats de C

La resistència efectiva generalment augmenta amb la disminució de la temperatura ambient i l'augment de la taxa de C, el que significa que en algun moment del cicle de descàrrega, la tensió canvia de manera més significativa amb l'alliberament d'energia. A temperatures ambientals més baixes, especialment a altes taxes de C, la resistència efectiva és més alta a causa de la baixa conductivitat iònica, la transferència de càrrega lenta, l'alta resistència als electròlits i la difusió lenta d'estat sòlid. Això és coherent amb estudis anteriors que mostren que la resistència de corrent continu augmenta amb la disminució de la temperatura ambient i l'augment de les taxes de C, i la resistència efectiva augmenta al final de la descàrrega. Tot i que el grau d'autoescalfament de la descàrrega de 5C és alt a -10 graus C, la seva resistència efectiva encara és la més alta, possiblement a causa del curt temps de descàrrega.

Figura 5. Comparació de temperatures internes (I) i mesurades (M) a diferents velocitats de C a una temperatura ambient de 25 graus

Figura 6. Comparació de temperatures internes (I) i mesurades (M) a diferents velocitats C a 0 graus de temperatura ambient

Durant la descàrrega, tant la temperatura mesurada com la temperatura interna augmenten, amb un major augment de la temperatura i un major augment de la temperatura interna a una taxa de C elevada i una temperatura ambient baixa. D'acord amb altres estudis, la diferència màxima entre les temperatures internes i les mesures durant el cicle de descàrrega (∆ T) és proporcional a la taxa C corresponent, i la diferència augmenta a mesura que disminueix la temperatura ambient. El ∆ T en diferents condicions de funcionament en aquest article és lleugerament superior a l'estudi que només investiga els gradients de temperatura superficial, però és més coherent amb l'estudi que compara temperatures internes i superficials, cosa que indica que la temperatura interna estimada en aquest article representa la mitjana global. temperatura de la bateria i la temperatura mesurada prové de les lectures del sensor de superfície/termoparell. La diferència entre la temperatura interna de la bateria i la temperatura mesurada generalment augmenta amb la descàrrega, arriba a un pic al mig de la descàrrega i després disminueix. La magnitud de la diferència augmenta amb l'augment de la taxa de C i la temperatura ambient.

Figura 7. Comparació de temperatures internes (I) i mesurades (M) a diferents velocitats de C a una temperatura ambient de 25 graus.

Figura 8. Evolució de la temperatura interna i diferència de temperatura mesurada de la bateria cada 30 Wh de descàrrega

4. Resum

A temperatures ambientals més baixes, els beneficis de capacitat de l'autoescalfament poden estar sobreestimats i no es tradueixen en un augment de l'energia disponible per a la bateria.

Limitacions de l'efecte d'autoescalfament:En entorns de baixa temperatura, tot i que l'efecte d'autoescalfament de les bateries pot augmentar la capacitat de descàrrega, no sempre vol dir que l'energia alliberada per la bateria augmentarà. Això es deu al fet que l'augment de la capacitat es pot utilitzar principalment per escalfar la bateria, en lloc de fer feina o proporcionar més energia elèctrica.

La resistència efectiva d'una bateria és més gran a majors corrents de descàrrega i temperatures ambient més baixes.

Relació entre la resistència efectiva i les condicions de funcionament:La resistència efectiva és un paràmetre important d'una bateria en condicions de funcionament específiques, que augmenta amb l'augment del corrent de descàrrega i la disminució de la temperatura ambient. Això indica que la conducció iònica i la transferència de càrrega dins de la bateria es veuen més dificultades en condicions de descàrrega de corrent elevada i condicions de baixa temperatura.

La diferència entre la temperatura interna de la bateria i la temperatura de la superfície mesurada de la bateria augmenta amb l'augment del corrent de descàrrega i la disminució de la temperatura ambient.

Relació entre la diferència de temperatura i les condicions de funcionament:La diferència entre la temperatura interna i la superficial (∆ T) està directament relacionada amb el corrent de descàrrega i la temperatura ambient. Això significa que en entorns de descàrrega d'alta corrent i baixa temperatura, la temperatura dins de la bateria pot ser molt superior a la temperatura superficial, la qual cosa és crucial per a la gestió tèrmica i l'optimització del rendiment de la bateria.

Durant el cicle de descàrrega, la diferència entre la temperatura interna de la bateria i la temperatura de la superfície mesurada de la bateria augmenta en les primeres etapes de descàrrega, assoleix el seu màxim a les etapes mitjanes i després disminueix a les últimes etapes de descàrrega.

Canvis dinàmics en les diferències de temperatura:La tendència de les diferències de temperatura entre l'interior i la superfície d'una bateria durant la descàrrega reflecteix la complexitat de la dinàmica tèrmica interna de la bateria. Aquesta diferència augmenta en les primeres etapes de descàrrega, possiblement a causa del ràpid augment de la calor generada internament quan la bateria comença a descarregar-se. El pic durant la descàrrega mitjana pot ser degut a la temperatura interna més alta de la bateria, mentre que la disminució cap al final de la descàrrega pot ser degut a una disminució de la calor generada dins de la bateria i a l'inici del refredament.

Aquestes observacions són crucials per al disseny i l'optimització dels sistemes de gestió de bateries (BMS), ja que proporcionen informació valuosa sobre el comportament de les bateries en diferents condicions de funcionament. En comprendre i predir aquests fenòmens, és possible gestionar de manera més eficaç la temperatura de la bateria, millorant així el seu rendiment i vida útil.