Резюме
Производителността на литиево-йонните батерии до голяма степен зависи от работната температура на батерията. Обаче обикновено получените температурни данни се измерват от термодвойки, прикрепени към повърхността на батерията, които може да не отразяват точно действителната температура вътре в батерията, особено при ниски температури на околната среда и високи скорости на разреждане. Тази статия ще представи иновативен метод, който използва технология за диференциално напрежение за прогнозиране на вътрешната температура на 40Ah литиево-йонна батерия с мек пакет. Разликата между измерванията на вътрешната и външната температура зависи от скоростта на разреждане и температурата на околната среда. По време на непрекъснатия процес на разреждане разликата между повърхностната и измерената температура се увеличава в ранния етап на разреждане, достига своя пик в средния етап и след това намалява в късния етап на разреждане. Резултатите от това проучване могат активно да подкрепят стратегиите за контрол в системите за управление на батерията (BMS).
1. Въведение
С нарастващото внимание към проблемите на околната среда и ангажимента на правителствата да намалят емисиите, електрическите превозни средства (EV) все повече се оценяват като потенциално решение. Един от ключовите фактори за техния успех е използваната система за съхранение на енергия (ESS). Идеалният ESS трябва да има висока енергийна и енергийна плътност, отличен живот и да демонстрира надеждност при различни работни условия, като цикли на шофиране, температура и т.н. В комерсиалната технология на батериите литиево-йонните батерии са се превърнали в предпочитан избор за чисто електрически превозни средства (BEVs) ) поради техния най-висок обем и плътност на енергия/мощност.
BEV, базирани на литиево-йонни батерии, значително ще намалят обхвата и мощността си при условия на ниска температура и висока степен на C. Причините за влошаване на производителността включват намалена проводимост на електролита, намалена дифузия на литий в твърдо състояние, висока поляризация на графитни аноди и кинетика на бавно пренасяне на заряда. При изследването на 2,2 Ah 18650 литиево-йонни батерии електрохимичните характеристики на батерията силно зависят от нейната работна температура. Работната температура на батериите обаче обикновено се измерва с термодвойки, прикрепени към повърхността на батерията, които може да не отразяват точно електрохимичните процеси вътре в батерията. Измерването на диференциалното напрежение (DV) се използва за извеждане на стехиометричното подравняване на електродите при или близо до равновесие, за да се открие намаляване на капацитета. За да се избегне феноменът на прехвърляне на заряд, трябва да се избягва висок ток. DV представлява промяната на напрежението за единица капацитет на разреждане (dV/dQ), което отразява кумулативното въздействие на работните условия (околна температура, C-скорост, SOC, импеданс и самонагряване) върху батерията.
Целта на тази статия е да се използва DV технология за прогнозиране на „ефективното съпротивление“ на батериите при различни непрекъснати токове на разреждане при температури на околната среда, вариращи от -20 до 25 градуса C, и след това да се предвиди тяхната вътрешна температура. Отклонението между вътрешната и измерената температура на повърхността на батерията е пряко свързано с разрядния ток и намалява с понижаване на околната температура. Тези прогнози могат да помогнат за подобряване на точността на оценката на температурата на батерията и да подобрят стратегиите за контрол в системите за управление на батерията (BMS).
2. Методи на изследване
А. Експериментални подробности
За да се изследва поведението на батерията, беше тествана литиево-йонна мека батерия с тегло 0.97 килограма с NMC положителен електрод. Батерията е с номинално напрежение 3,7 волта и капацитет 40 ампер часа. Термодвойка тип К е инсталирана в геометричния център на основната повърхност на меката батерия. Батерията се поставя в гореща клетка на Votsch и се подлага на цикли на зареждане и разреждане с помощта на акумулатор на батерия Bitrode. Тестът е проведен при четири различни температури на околната среда: -20 градуса C, -10 градуса C, 0 градуса C и 25 градуса C. Зареждането се извършва само при 25 градуса C, зареждането със скорост 0.5C (20 ампера), докато напрежението достигне 4,2 волта. След това токът на зареждане пада до 0.05C, като същевременно се поддържа напрежение от 4,2 волта. Използваните разрядни токове включват 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C и 8C. Директно измерените параметри включват напрежение на батерията (V), капацитет (Ah), мощност (W), енергия на разреждане (Wh) и температура на повърхността на батерията (измерена) (градус C). Напрежението на прекъсване на тази батерия е 2,7 волта.
Б. За да изчислим "вътрешната температура" от параметрите на измерване, използвайки технология за диференциално напрежение, предприехме следните стъпки за прогнозиране на вътрешната температура (вижте Фигура 1):
1. Изчисляване на промяната на напрежението:Изчислете промяната на напрежението (∆ V) на всяка времева стъпка.
2. Изчисляване на ефективното съпротивление:„Ефективно съпротивление“ R е линейна функция на DV, получена чрез разделяне на ∆ V на разрядния ток.
Фигура 1. Прост модел на генериране на топлина
3. Изчисляване на генерирането на топлина:Изчислете топлината, генерирана на всяка времева стъпка Qgen=∆ V ²/R.
4. Изчисляване на топлопроводимостта:Изчислението на топлопроводимостта от ядрото на батерията до повърхността е Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), където k е равнинната топлопроводимост на батерията, A е повърхностната площ, и L е разстоянието между ядрото на батерията и повърхността.
5. Изчисляване на конвективния топлопренос:Изчислението на конвективния топлопренос върху повърхността на батерията е Qconv=(h × A × (T-Tamb)), където h е коефициентът на конвективен топлопренос, а Tamb е температурата на околната среда.
6. Изчисляване на промяната на температурата:Изчислете промяната на температурата ∆ T всяка секунда като (QGen Qcond QConv)/(m × C). Тук t е стъпката във времето (в секунди), m е 0,97 килограма, а C е топлинният капацитет. Ако приемем, че Qbond е нула на t=0 секунди, тогава използвайте Qbond от предишната времева стъпка.
7. Изчисляване на вътрешна температура:Изчислете вътрешната температура чрез интегриране на ∆ T на всяка времева стъпка.
Този метод осигурява нов подход за точно прогнозиране на вътрешната температура на батериите чрез цялостно отчитане на техните електрохимични характеристики и топлинни характеристики, което е от голямо значение за оптимизиране на системите за управление на батерии (BMS) и подобряване на производителността на батерията.
Таблица 1. Параметри на батерията на литиево-йонни торбички
| Параметър | Стойност |
| Топлопроводимост, k | 0.48 W/m/градус |
| Площ на повърхността, A | 0.10125 m² |
| Дебелина на клетката, L | 0.0009 m |
| Топлинен капацитет, C | 1243 J/градус/кг |
| Конвективен коефициент, h | 10W/m²/ градус |
3. Резултати и дискусия
A. Влиянието на C-скоростта и околната температура върху капацитета на разреждане и енергията на разреждане
Експерименталните резултати показват, че енергията, освободена от батерията, намалява с увеличаването на C-скоростта и намаляването на температурата на околната среда. Това е така, защото увеличаването на импеданса на батерията води до по-бързо намаляване на напрежението на батерията, включително намаляване на йонната проводимост, увеличаване на съпротивлението на електролита, по-висока анодна поляризация, по-бавно прехвърляне на заряда и недостатъчна литиева твърдофазна дифузия.
Фигура 2. Развитие на напрежението с енергията на разреждане при различни температури на околната среда и c скорости
При разреждане при 5C при -10 градуса C, напрежението ще се повиши за значителен период от време по време на цикъла на разреждане. Това е така, защото самонагряването води до повишаване на температурата на батерията, което води до намаляване на съпротивлението на електролита поради увеличаване на йонната проводимост и скоростта на дифузия на солта, като по този начин прави енергията на разреждане по-висока, отколкото по време на изотермично разреждане. При -10 градус C капацитетът на разреждане на 5C е с 3,6% по-висок от 1C, но енергията на разреждане е с 2,9% по-ниска; При 0 градус C капацитетът на разреждане от 5C е с 1% по-висок от 1C, а енергията на разреждане е с 5,3% по-ниска, което показва, че ползите от капацитета, донесени от самонагряване, може да са надценени и по-голямата част от увеличения капацитет е използва се за отопление на батерията.
Фигура 3. Развитие на напрежението на батерии с капацитет на разреждане при различни температури на околната среда и стойности на c
B. Влиянието на C-скорост и температурата на околната среда върху прогнозирането на вътрешна температура с помощта на диференциално напрежение
Фигура 4. Ефективно съпротивление и енергия на разреждане при различни температури на околната среда и нива на C
Ефективното съпротивление обикновено се увеличава с намаляване на температурата на околната среда и увеличаване на C-скоростта, което означава, че в даден момент от цикъла на разреждане напрежението се променя по-значително с освобождаването на енергия. При по-ниски температури на околната среда, особено при високи стойности на C, ефективното съпротивление е по-високо поради ниската йонна проводимост, бавното пренасяне на заряда, високото електролитно съпротивление и бавната дифузия в твърдо състояние. Това е в съответствие с предишни проучвания, показващи, че съпротивлението на постоянен ток се увеличава с намаляване на околната температура и увеличаване на C-скоростите, а ефективното съпротивление се увеличава в края на разреждането. Въпреки че степента на самонагряване на 5C разряд е висока при -10 градуса C, неговата ефективна устойчивост все още е най-висока, вероятно поради краткото време на разреждане.
Фигура 5. Сравнение на вътрешна (I) и измерена (M) температури при различни скорости на C при околна температура от 25 градуса
Фигура 6. Сравнение на вътрешна (I) и измерена (M) температури при различни стойности на C при 0 градуса околна температура
По време на разреждането както измерената температура, така и вътрешната температура се повишават, с по-голямо покачване на температурата и по-голямо увеличение на вътрешната температура при висока степен на C и ниска температура на околната среда. В съответствие с други изследвания, максималната разлика между вътрешните и измерените температури по време на цикъла на разреждане (∆ T) е пропорционална на съответния C-скорост и разликата се увеличава с понижаване на околната температура. ∆ T при различни работни условия в тази статия е малко по-висок от изследването, което изследва градиентите на температурата на повърхността, но е по-съгласувано с изследването, което сравнява вътрешните и повърхностните температури, което показва, че изчислената вътрешна температура в тази статия представлява средната обща температурата на батерията, а измерената температура идва от показанията на повърхностния сензор/термодвойка. Разликата между вътрешната температура на батерията и измерената температура обикновено се увеличава с разреждането, достига пик в средата на разреждането и след това намалява. Големината на разликата нараства с увеличаването на C-скоростта и температурата на околната среда.
Фигура 7. Сравнение на вътрешна (I) и измерена (M) температури при различни скорости на C при околна температура от 25 градуса.
Фигура 8. Развитие на вътрешната температура и измерената температурна разлика на батерията на всеки 30 Wh разреждане
4. Обобщение
При по-ниски температури на околната среда ползите от капацитета на самонагряването може да бъдат надценени и може да не се превърнат в увеличение на наличната енергия за батерията.
Ограничения на ефекта на самонагряване:В среда с ниска температура, въпреки че ефектът на самонагряване на батериите може да увеличи капацитета на разреждане, това не винаги означава, че енергията, освободена от батерията, ще се увеличи. Това е така, защото увеличеният капацитет може да се използва главно за отопление на батерията, а не за извършване на работа или осигуряване на повече електрическа енергия.
Ефективното съпротивление на батерията е по-голямо при по-високи разрядни токове и по-ниски температури на околната среда.
Връзката между ефективното съпротивление и работните условия:Ефективното съпротивление е важен параметър на батерията при специфични условия на работа, който се увеличава с увеличаването на разрядния ток и намаляването на температурата на околната среда. Това показва, че йонната проводимост и преносът на заряд вътре в батерията са по-възпрепятствани при висок ток на разреждане и условия на ниска температура.
Разликата между вътрешната температура на батерията и измерената температура на повърхността на батерията се увеличава с увеличаването на разрядния ток и намаляването на температурата на околната среда.
Връзката между температурната разлика и работните условия:Разликата между вътрешната и повърхностната температура (∆ T) е пряко свързана с разрядния ток и температурата на околната среда. Това означава, че при висок ток на разреждане и ниска температура, температурата вътре в батерията може да бъде много по-висока от температурата на повърхността, което е от решаващо значение за термичното управление и оптимизирането на производителността на батерията.
По време на цикъла на разреждане разликата между вътрешната температура на батерията и измерената температура на повърхността на батерията се увеличава в ранните етапи на разреждане, достига своя пик в средните етапи и след това намалява в късните етапи на разреждане.
Динамични промени в температурните разлики:Тенденцията на температурните разлики между вътрешната и повърхността на батерията по време на разреждане отразява сложността на вътрешната термична динамика на батерията. Тази разлика се увеличава в ранните етапи на разреждане, вероятно поради бързото увеличаване на топлината, генерирана вътрешно, когато батерията започне да се разрежда. Пикът по време на средното разреждане може да се дължи на най-високата вътрешна температура на батерията, докато намаляването към края на разреждането може да се дължи на намаляване на топлината, генерирана в батерията, и началото на охлаждането.
Тези наблюдения са от решаващо значение за проектирането и оптимизирането на системи за управление на батерии (BMS), тъй като предоставят ценна информация за поведението на батериите при различни работни условия. Чрез разбирането и прогнозирането на тези явления е възможно по-ефективно да се управлява температурата на батерията, като по този начин се подобри нейната производителност и живот.