Balanserer ytelse og sikkerhet: En omfattende analyse av termiske egenskaper for ladeutladning til 48V litiumionbatteripakke

Denne artikkelen bruker 25 termoelementer for å eksperimentelt studere temperaturfordelingen og oppførselen til en 48V litium-ion (Li-ion) batteripakke i løpet av to ladeutladingssykluser. Resultatene indikerer at bedre konvektiv varmeoverføring skjer på den ytre overflaten av emballasjen, mens det midterste batteriet når sin maksimale temperatur. Det ble også observert forskjeller i oppførselen til de tre modulene. Utladingssyklusen viser en temperaturøkning på 5,8 grader C, og temperaturgradienten til batteripakken øker fra 1,3 grader C til 2,7 grader C. Denne studien understreker viktigheten av å evaluere den termiske oppførselen til hver modul og kompleksiteten til litium-ion batteripakkesystemer. I den samme studien kan oppdagelser om batterier, moduler og batteripakker gi verdifull innsikt for utforming av effektive kjølesystemer for litiumionbatteripakker.

1. Introduksjon

Litium-ion-batterier:Oppladbare litium-ion-batterier anses som passende energilagringsenheter for milde hybridbiler på grunn av deres høye energitetthet, spesifikke kraft, lette, lave selvutladningshastighet, høye resirkulerbarhet og lange levetid. I løpet av de siste 13 årene har prisen på litium-ion-batteripakker gått betydelig ned. Høy temperatur og ujevn temperaturfordeling er imidlertid hovedproblemene til litium-ion-batterier, og temperatur spiller en viktig rolle i deres livssyklus og energikapasitet.

Mangler ved tidligere forskning:Tidligere studier på den termiske oppførselen til litium-ion-batterier i milde hybridbiler fokuserte hovedsakelig på individuelle batterier eller batteripakker, og mangler detaljert analyse av virkningen av eksterne parametere (som tilstedeværelsen av andre batterier) på batteriets termiske oppførsel. I tillegg er forskningsomfanget på den termiske oppførselen til 48V litium-ion batteripakker begrenset, og det er mangel på eksperimentelle studier på den detaljerte temperaturfordelingen til hele batteripakken.

Hensikten med denne studien:er å eksperimentelt undersøke den termiske oppførselen til en 48V litium-ion batteripakke gjennom to komplette ladeutladingssykluser. Ved å bruke 25 termoelementer for å måle på forskjellige steder i batteripakken, håper vi å gi verdifull innsikt i varmegenereringen til batteripakken og hjelpe til med å velge riktig batterikjølesystem.

2. Eksperimentell bestemmelse

Litiumion-batteriparametere:Litiumionbatterier er vanligvis sammensatt av en anode, katode, elektrolytt og strømkollektor. Sylindriske, prismatiske og poseformede batterier brukes i bilindustrien, og prismatiske design kan forbedre plassutnyttelsen og fleksibiliteten. Denne studien brukte et prismatisk NCM litium-ion-batteri med en nominell kapasitet på 8,23Ah. Batteripakken består av 36 batterier koblet i en 12s3p-konfigurasjon, som har fordelene med enkel installasjon, modularitet, sikkerhet og kompakthet, minimal innvirkning på kjøretøyets vekt og høy kostnadseffektivitet.

Eksperimentell layout:Den eksperimentelle testenheten inkluderer en batteripakke, en høyspent AVL-batterisimulator kontrollert av AVL PUMA-systemet, en K-type temperatursensor med to datainnsamlingsmoduler (ES620 ETAS), og en datamaskinenhet for overvåking og lagring av data. Bruk 25 termoelementer for å overvåke temperaturen på batteriet, med målepunkter plassert i de tre modulene til batteripakken. Termoelementer hjelper til med å oppdage temperaturendringer mellom de positive og negative polene på samme batteri.

Lade- og utladingssykluser:To komplette lade- og utladningssyklustester ble utført med starttemperaturer og ladetilstander (SoC) på henholdsvis 26 grader C og 47 %. Maksimums- og minimumsstrømmene var henholdsvis 237A og -237A. SoC nådde to ganger høyeste og laveste verdi, dvs. 91 % og 10 %, og testen ble avsluttet når SoC nådde startverdien. For å unngå termisk svikt i batteripakken ved høye temperaturer, ble testen avsluttet når temperaturen nådde 40 grader C. I denne studien ble temperaturgrensen nådd ved slutten av den andre syklusen.

Teoretisk bakgrunn:Temperatureffekten til batterier er relatert til interne materialer og kjemiske reaksjoner. Den termiske genereringen av litium-ion-batterier ved normale temperaturer er relatert til ladningsoverføring og kjemiske reaksjoner under lade- og utladingsprosesser. Termisk generering inkluderer reversible prosesser (entropivarme) og irreversible prosesser. I følge termodynamikkens lover kan den forbigående oppførselen til varme generert inne i et batteri føre til forskjellige temperaturendringer. For å studere den termiske oppførselen til litium-ion-batterier og batteripakker, ble det definert en navnekonvensjon og relaterte parametere for temperatur, som maksimumstemperatur, minimumstemperatur, temperaturforskjell og gjennomsnittstemperatur.

3. Resultater

SOC og spenning

Figuren nedenfor viser spenningen, strømmen og SoC for batteripakken. Testtiden er delt inn i 8 deler av to sykluser, hvor LD, EC, LC og ED representerer henholdsvis sen utladning, tidlig ladning, sen lading og tidlig utladning. I den første delen LD1 er strømmen -237A, og batteripakken og batterispenningen reduseres; I EC1-seksjonen er strømmen 237A, SoC når 33%, og batteripakkens spenning øker; I LC1-seksjonen synker strømmen til 33A og batteripakkens spenning øker; I ED1-delen er strømmen -237A, og SoC og spenning reduseres. I den andre syklusen viste strømmen, SoC og spenningen til batteripakken en lignende tidsevolusjon som den første syklusen, og testen endte på 2105s.

Litiumion-batteripakker krever vanligvis lange perioder med høy konstant strøm i praktiske applikasjoner, så BMS vil redusere ytelsen for å sikre sikkerheten. Figuren ovenfor viser en plutselig reduksjon i strømgrensen under den sene ladefasen på grunn av batterivarmestyring.

Termisk ytelse

Figur a viser temperaturtidshistorien til 8 termoelementer i modul 1. Verdiene til T1 og +12 var midt i modultemperaturområdet ved begynnelsen av testen, men falt til det laveste ved slutten av test. T1 og -01 var lik Tmin ved begynnelsen av den første syklusen, og temperaturen på batteriet i midten av modulen var høyest.

Figur b viser temperaturfordelingen til modul 2, der T2, -12 er Tmin, T2,+01 er den nest laveste temperaturen, og T2,+04 er Tmax.

Figur c viser temperaturfordelingen til modul 3, der T3, -01 er Tmin, T3,+12 er den nest laveste temperaturen, T3,+04, T3, -06, og T3, -07 er Tmax.

Figuren nedenfor viser tidshistorikken for gjennomsnittstemperaturen, maksimumstemperaturen, minimumstemperaturen og temperaturforskjellen til batteripakken og hver modul. Trise på batteripakken i EC1 og EC2 er henholdsvis 1,6 grader C og 1,2 grader C. Under hele utladningssyklusen (kombinasjon av ED1 og LD2), er Trise omtrent 5,8 grader C. Maksimal ∆ T er 2,0 grader C og 3,2 grader C ved slutten av henholdsvis EC1 og EC2, mens minimum ∆ T er 1,3 grader C og 2,2 grader C ved slutten av den første og andre fulle ladesyklusen, henholdsvis T kan deles inn i forskjellen mellom Tmax og Tavg, samt forskjellen mellom Tavg og Tmin. Forskjellen mellom Tavg og Tmin varierer lineært når strømmen endres betydelig, mens forskjellen mellom Tmax og Tavg er sensitiv for strøm og ikke-lineær.

4. Diskusjon

Batteriundersøkelse:I det samme litium-ion-batteriet er temperaturen på den positive polen høyere enn den til den negative polen, med en maksimal temperaturforskjell på omtrent 0,6 grader C. Dette fenomenet har også blitt nevnt i litteraturen. I tillegg, på slutten av de to syklusene, vises Tmin i T1,+12 og T1, -01 i modul 1, T2, -12 og T2,+01 i modul 2, og T3, -01 og T3,+12 i modul 3. Dette indikerer at Tmin vises på det eksterne batteriet til batteripakken, på grunn av bedre konvektiv varmeoverføring og kjøleeffekt på modulens grenseoverflate sammenlignet med omgivelsestemperaturen. Og Tmax for hver modul vises i det midterste batteriet, men dette er ikke symmetrisk, noe som indikerer den dynamiske oppførselen og temperaturuensartetheten til hvert batteri. Dette fenomenet illustrerer kompleksiteten til dette dynamiske systemet og understreker viktigheten av å evaluere temperaturoppførselen til alle moduler i batteripakken.

Modulforskning:Tavg av modul 1 er høyere enn for batteripakken i første halvdel av LD-er, EC-er, ED-er og LC-er, noe som indikerer at modul 1 er mer følsom for høye strømmer enn andre moduler, genererer mer varme, stiger raskere i temperatur, og utveksler varme bedre enn andre moduler. Dette indikerer kompleksiteten til batteripakkesystemet, og den termiske oppførselen til hver modul bør studeres og inspiseres separat.

Batteripakkeundersøkelse:I litiumionbatterier, moduler og batteripakker øker temperaturen alltid i ED-er, LD-er og EC-er. Derfor vises Tmax ikke bare i midten av LC1 og LC2, men også på slutten av EC1 og EC2. Med andre ord, når det er høy strøm, vil temperaturen stige fordi flere litiumioner skal bevege seg gjennom membranen og generere mer varme. Derfor, i begynnelsen av LC-er, vil det være et temperaturfall, etterfulgt av observasjon av kvasi-steady state-oppførselen til temperaturen.

Under hele utladingssyklusen mellom to ladesykluser øker temperaturen monotont; Totalt sett økte Trise med 5,8 grader C fra startverdien på 31,8 grader C. I tillegg viste ∆ T også den samme oppadgående trenden fra 1,3 grader C til 2,7 grader C. Dette skyldes den høye strømmen basert på ligning (2) i denne perioden, samt følsomheten til modul 1 for strøm. I tillegg viste Trise-mønstrene i de to ladesyklusene lignende trender. I begynnelsen stiger den, faller så og holder til slutt en tilnærmet stabil temperatur. Derfor, når en høyere strøm tilføres batteripakken, vil høyere Trise og ∆ T oppnås.

∆ T kan deles inn i forskjellen mellom Tmax og Tavg, samt forskjellen mellom Tavg og Tmin. Tmax er svært følsom for temperaturgradienter og varierer over tid, mens Tmin er mindre følsom for endringer i strøm. Derfor er den viktigste delen av temperaturendringen i batteripakken på grunn av oppførselen til Tmax. Differansen mellom Tavg og Tmin varierer med andre ord lineært når det er en signifikant forskjell i strøm, og helningen endres. Forskjellen mellom Tmax og Tavg er svært følsom for strøm, og helningen vil øke over tid. Derfor, i det andre scenariet, bortsett fra betydelige variasjoner i store strømforskjeller, viser ∆ T ingen lineær oppførsel i både konstante og dynamiske strømmer. Fremtidig arbeid bør fokusere på å utvikle effektive kjølesystemer og utforske ulike termiske styringsstrategier for å forbedre ytelsen og sikkerheten til litium-ion batteripakker basert på resultatene fra denne studien.

5. Sammendrag

Denne artikkelen studerer den termiske oppførselen til 48V litiumionbatteripakker under dynamisk strøm, noe som er avgjørende for å forstå sikker og pålitelig drift av litiumionbatteripakker, spesielt i applikasjoner som krever høy effekt og energitetthet.

De eksperimentelle resultatene indikerer at temperaturoppførselen til batteripakken er kompleks og ikke-lineær, med forskjeller mellom forskjellige batterier, moduler og hele batteripakken. Temperaturen utenfor batteripakken er lavere enn det interne batteriet på grunn av bedre konvektiv varmeoverføring, og den positive poltemperaturen til et enkelt batteri er høyere enn den negative poltemperaturen. En modul er mer følsom for høye strømmer, noe som resulterer i raskere temperaturøkning og varmeutvikling, noe som kun kan oppnås ved å studere alle moduler i samme litium-ion batteripakke.

Temperaturoppførselen til batteripakken er hovedsakelig påvirket av Tmax, som er mer følsom for strøm. Trise skyldes hovedsakelig høy strøm og varmen som genereres ved bevegelse av litiumioner gjennom separatoren. Forskjellen mellom Tmin og Tavg varierer lineært under konstant strøm, mens forskjellen mellom Tmax og Tavg varierer ikke-lineært under strømendringer, spesielt under store strømforskjeller.

Samlet sett indikerer forskningsfunnene viktigheten av å individuelt undersøke og evaluere den termiske oppførselen til hvert batteri, modul og hele batteripakken for å forstå kompleksiteten og den ikke-lineære oppførselen til litiumionbatteripakker under dynamiske strømmer. Resultatene av denne studien vil bidra til utviklingen av mer effektive og pålitelige termiske batteristyringssystemer for litium-ion batteripakker i bilapplikasjoner i fremtiden. Når du bestemmer strategier og parametere for batterivarmebehandling, er det nødvendig å vurdere forskjellene mellom modulen Tavg, Tavgs avhengighet av Tmax og effekten av batteriplassering på temperaturendringer.