Абстрацт
Перформансе литијум-јонских батерија у великој мери зависе од радне температуре батерије. Међутим, подаци о температури који се обично добијају се мере термопаровима причвршћеним за површину батерије, који можда неће тачно одражавати стварну температуру унутар батерије, посебно при ниским температурама околине и високим брзинама пражњења. Овај чланак ће представити иновативну методу која користи технологију диференцијалног напона за предвиђање унутрашње температуре литијум-јонске батерије од 40 Ах. Разлика између мерења унутрашње и спољашње температуре зависи од брзине пражњења и температуре околине. Током континуираног процеса пражњења, разлика између површинске и измерене температуре се повећава у раној фази пражњења, достиже свој врхунац у средњој фази, а затим се смањује у касној фази пражњења. Резултати ове студије могу активно да подрже стратегије управљања у системима управљања батеријама (БМС).
1. Увод
Са све већом пажњом на питања животне средине и посвећеношћу влада смањењу емисија, електрична возила (ЕВ) се све више вреднују као потенцијално решење. Један од кључних фактора за њихов успех је систем за складиштење енергије (ЕСС). Идеалан ЕСС треба да има високу густину енергије и снаге, одличан животни век и да демонстрира поузданост у различитим радним условима као што су циклуси вожње, температура итд. У технологији комерцијалних батерија, литијум-јонске батерије су постале пожељан избор за чисто електрична возила (БЕВ). ) због њихове највеће запремине и тежине енергије/густине снаге.
БЕВ базирани на литијум-јонским батеријама значајно ће смањити њихов домет и перформансе снаге под условима ниске температуре и високе стопе Ц. Разлози за смањење перформанси укључују смањену проводљивост електролита, смањену дифузију литијума у чврстом стању, високу поларизацију графитних анода и спору кинетику преноса наелектрисања. У проучавању литијум-јонских батерија од 2,2 Ах 18650, електрохемијске перформансе батерије снажно зависе од њене радне температуре. Међутим, радна температура батерија се обично мери термопаровима који су причвршћени за површину батерије, што можда не одражава тачно електрохемијске процесе унутар батерије. Мерење диференцијалног напона (ДВ) се користи да се закључи стехиометријско поравнање електрода у или близу равнотеже да би се открио пад капацитета. Да би се избегао феномен преноса пуњења, треба избегавати велику струју. ДВ представља варијацију напона по јединици капацитета пражњења (дВ/дК), што одражава кумулативни утицај радних услова (температура околине, Ц-стоп, СОЦ, импеданса и самозагревање) на батерију.
Циљ овог чланка је да се користи ДВ технологија за предвиђање „ефикасне отпорности“ батерија под различитим континуираним струјама пражњења на температурама околине у распону од -20 до 25 степени Ц, а затим предвиди њихову унутрашњу температуру. Одступање између унутрашње и измерене површинске температуре батерије је директно повезано са струјом пражњења и смањује се са смањењем температуре околине. Ова предвиђања могу помоћи да се побољша тачност процене температуре батерије и побољшају стратегије контроле унутар система за управљање батеријом (БМС).
2. Методе истраживања
А. Експериментални детаљи
Да би се истражило понашање батерије, тестирана је литијум-јонска мека батерија тежине 0,97 килограма са позитивном НМЦ електродом. Батерија има номинални напон од 3,7 волти и капацитет од 40 ампер сата. Термопар типа К је инсталиран у геометријском центру главне површине меке батерије. Батерија се поставља у Вотсцх врућу ћелију и подвргава се циклусима пуњења и пражњења помоћу Битроде батерије. Тест је спроведен на четири различите температуре околине: -20 степен Ц, -10 степен Ц, 0 степен Ц и 25 степени Ц. Пуњење се врши само на 25 степени Ц, пуњење брзином од 0.5Ц (20 ампера) док напон не достигне 4,2 волта. Струја пуњења тада пада на 0.05Ц уз одржавање напона од 4,2 волта. Коришћене струје пражњења укључују 0,1Ц, 0,2Ц, 0,5Ц, 1Ц, 2Ц, 5Ц и 8Ц. Директно мерени параметри укључују напон батерије (В), капацитет (Ах), снагу (В), енергију пражњења (Вх) и температуру површине батерије (измерену) (степен Ц). Искључни напон ове батерије је 2,7 волти.
Б. Да бисмо израчунали „унутрашњу температуру“ из мерних параметара коришћењем технологије диференцијалног напона, предузели смо следеће кораке за предвиђање унутрашње температуре (погледајте слику 1):
1. Прорачун промене напона:Израчунајте промену напона (∆ В) у сваком временском кораку.
2. Прорачун ефективног отпора:„Ефективни отпор“ Р је линеарна функција ДВ, добијена дељењем ∆ В струјом пражњења.
Слика 1. Једноставан модел производње топлоте
3. Прорачун производње топлоте:Израчунајте топлоту произведену у сваком временском кораку Кген=∆ В ²/Р.
4. Прорачун проводљивости топлоте:Прорачун топлотне проводљивости од језгра батерије до површине је Кбонд=(к × А × ∆ Т)/(Л/2), где је к планарна топлотна проводљивост батерије, А је површина, а Л је растојање између језгра батерије и површине.
5. Прорачун конвективног преноса топлоте:Прорачун конвективног преноса топлоте на површини батерије је Кцонв=(х × А × (Т-Тамб)), где је х коефицијент конвективног преноса топлоте, а Тамб температура околине.
6. Прорачун промене температуре:Израчунајте промену температуре ∆ Т сваке секунде као (КГен Кцонд КЦонв)/(м × Ц). Овде је т временски корак (у секундама), м је 0.97 килограма, а Ц је топлотни капацитет. Под претпоставком да је Кбонд нула у т=0 секунди, онда користите Кбонд из претходног временског корака.
7. Прорачун унутрашње температуре:Израчунајте унутрашњу температуру интегришући ∆ Т у сваком временском кораку.
Овај метод пружа нови приступ за тачно предвиђање унутрашње температуре батерија свеобухватним разматрањем њихових електрохемијских перформанси и термичких карактеристика, што је од великог значаја за оптимизацију система управљања батеријама (БМС) и побољшање перформанси батерија.
Табела 1. Параметри батерија литијум-јонских батерија
| Параметар | Валуе |
| Топлотна проводљивост, к | 0.48 В/м/ степен |
| Површина, А | 0.10125 m² |
| Дебљина ћелије, Л | 0.0009 m |
| Топлотни капацитет, Ц | 1243 Ј/степен/кг |
| Конвективни коефицијент, х | 10В/м²/ степен |
3. Резултати и дискусија
А. Утицај Ц-стопе и температуре околине на капацитет пражњења и енергију пражњења
Експериментални резултати показују да енергија коју ослобађа батерија опада са повећањем Ц-стопе и смањењем температуре околине. То је зато што повећање импедансе батерије доводи до бржег смањења напона батерије, укључујући смањење јонске проводљивости, повећање отпора електролита, већу анодну поларизацију, спорији пренос наелектрисања и недовољну дифузију литијумове чврсте фазе.
Слика 2. Еволуција напона са енергијом пражњења при различитим температурама средине и ц стопама
Приликом пражњења на 5Ц на -10 степени Ц, напон ће расти током значајног временског периода током циклуса пражњења. То је зато што самозагревање доводи до повећања температуре батерије, што доводи до смањења отпора електролита услед повећања јонске проводљивости и брзине дифузије соли, чиме је енергија пражњења већа него током изотермног пражњења. На -10 степену Ц, капацитет пражњења од 5Ц је 3,6% већи од 1Ц, али је енергија пражњења 2,9% нижа; На 0 степену Ц, капацитет пражњења од 5Ц је 1% већи од 1Ц, а енергија пражњења је 5,3% нижа, што указује на то да се користи од капацитета које доноси самозагревање може преценити, а већи део повећаног капацитета је користи се за грејање батерија.
Слика 3. Еволуција напона батерија са капацитетом пражњења при различитим температурама околине и ц стопама
Б. Утицај Ц-стопе и температуре околине на предвиђање унутрашње температуре коришћењем диференцијалног напона
Слика 4. Ефективни отпор и енергија пражњења при различитим температурама околине и Ц стопама
Ефективни отпор генерално расте са смањењем температуре околине и повећањем Ц-стопе, што значи да се у неком тренутку циклуса пражњења напон значајно мења са ослобађањем енергије. На нижим температурама околине, посебно при високим Ц-стопама, ефективни отпор је већи због ниске проводљивости јона, спорог преноса наелектрисања, високе отпорности електролита и споре дифузије у чврстом стању. Ово је у складу са претходним студијама које показују да отпор ДЦ расте са смањењем температуре околине и повећањем Ц-стопа, а ефективни отпор расте на крају пражњења. Иако је степен самозагревања пражњења од 5Ц висок на -10 степени Ц, његова ефективна отпорност је и даље највећа, вероватно због кратког времена пражњења.
Слика 5. Поређење унутрашње (И) и измерене (М) температуре при различитим Ц стопама на температури околине од 25 степени
Слика 6. Поређење унутрашњих (И) и измерених (М) температура при различитим Ц стопама на 0 степени амбијенталне температуре
Током пражњења, и измерена температура и унутрашња температура се повећавају, са већим порастом температуре и већим повећањем унутрашње температуре при високој Ц-стопи и ниској температури околине. У складу са другим студијама, максимална разлика између унутрашње и измерене температуре током циклуса пражњења (∆ Т) је пропорционална одговарајућој Ц-стопи, а разлика се повећава како се температура околине смањује. ∆ Т под различитим радним условима у овом чланку је нешто већи од студије која истражује само градијенте површинске температуре, али је конзистентнија са студијом која пореди унутрашње и површинске температуре, што указује да процењена унутрашња температура у овом чланку представља просечну укупну температуру. температура батерије, а измерена температура долази из очитавања површинског сензора/термопарова. Разлика између унутрашње температуре батерије и измерене температуре се углавном повећава са пражњењем, достиже врхунац усред пражњења, а затим опада. Величина разлике се повећава са повећањем Ц-стопе и температуре околине.
Слика 7. Поређење унутрашњих (И) и измерених (М) температура при различитим Ц стопама при температури околине од 25 степени.
Слика 8. Еволуција унутрашње температуре и измерена температурна разлика батерије на сваких 30 Вх пражњења
4. Резиме
На нижим температурама околине, предности капацитета самозагревања могу бити прецењене и можда неће довести до повећања расположиве енергије за батерију.
Ограничења ефекта самозагревања:У окружењима са ниском температуром, иако ефекат самозагревања батерија може повећати капацитет пражњења, то не значи увек да ће се енергија коју ослобађа батерија повећати. То је зато што се повећани капацитет може углавном користити за загревање батерије, а не за обављање посла или обезбеђивање више електричне енергије.
Ефективни отпор батерије је већи при већим струјама пражњења и нижим температурама околине.
Однос између ефективног отпора и радних услова:Ефективни отпор је важан параметар батерије у специфичним условима рада, који се повећава са повећањем струје пражњења и смањењем температуре околине. Ово указује да су провођење јона и пренос пуњења унутар батерије више отежани у условима велике струје и ниске температуре.
Разлика између унутрашње температуре батерије и измерене површинске температуре батерије повећава се са повећањем струје пражњења и смањењем температуре околине.
Однос између температурне разлике и услова рада:Разлика између унутрашње и површинске температуре (∆ Т) је директно повезана са струјом пражњења и температуром околине. То значи да у окружењима са високом струјом пражњења и ниским температурама, температура унутар батерије може бити много виша од температуре површине, што је кључно за управљање топлотом и оптимизацију перформанси батерије.
Током циклуса пражњења, разлика између унутрашње температуре батерије и измерене површинске температуре батерије се повећава у раним фазама пражњења, достиже свој врхунац у средњим фазама, а затим опада у каснијим фазама пражњења.
Динамичке промене температурних разлика:Тренд температурних разлика између унутрашње и површине батерије током пражњења одражава сложеност унутрашње термичке динамике батерије. Ова разлика се повећава у раним фазама пражњења, вероватно због брзог повећања топлоте која се ствара изнутра када батерија почне да се празни. Врхунац током средњег пражњења може бити последица највише унутрашње температуре батерије, док опадање према крају пражњења може бити последица смањења топлоте која се ствара у батерији и почетка хлађења.
Ова запажања су кључна за дизајн и оптимизацију система за управљање батеријама (БМС), јер пружају вредне информације о понашању батерија у различитим условима рада. Разумевањем и предвиђањем ових појава, могуће је ефикасније управљати температуром батерије, чиме се побољшавају њени перформанси и животни век.