Balansera prestanda och säkerhet: En omfattande analys av laddningsurladdningens termiska egenskaper hos 48V litiumjonbatteripaket

Den här artikeln använder 25 termoelement för att experimentellt studera temperaturfördelningen och beteendet hos ett 48V litiumjonbatteri (Li-jon) under två laddningsurladdningscykler. Resultaten indikerar att bättre konvektiv värmeöverföring sker på den yttre ytan av förpackningen, medan mittbatteriet når sin maximala temperatur. Skillnader observerades också i beteendet hos de tre modulerna. Urladdningscykeln visar en temperaturökning på 5,8 grader C, och temperaturgradienten för batteripaketet ökar från 1,3 grader C till 2,7 grader C. Denna studie betonar vikten av att utvärdera det termiska beteendet för varje modul och komplexiteten hos litiumjon batteripaketsystem. I samma studie kan upptäckter om batterier, moduler och batteripaket ge värdefulla insikter för att designa effektiva kylsystem för litiumjonbatterier.

1. Inledning

Litiumjonbatterier:Uppladdningsbara litiumjonbatterier anses vara lämpliga energilagringsenheter för milda hybridfordon på grund av deras höga energitäthet, specifika effekt, lätta vikt, låga självurladdningshastighet, höga återvinningsbarhet och långa livslängd. Under de senaste 13 åren har priset på litiumjonbatterier sjunkit avsevärt. Hög temperatur och ojämn temperaturfördelning är dock de största problemen med litiumjonbatterier, och temperaturen spelar en viktig roll för deras livscykel och energikapacitet.

Brister i tidigare forskning:Tidigare studier om det termiska beteendet hos litiumjonbatterier i mildhybridfordon fokuserade huvudsakligen på enskilda batterier eller batteripaket, utan detaljerad analys av påverkan av externa parametrar (som närvaron av andra batterier) på batteriets termiska beteende. Dessutom är forskningsomfånget om det termiska beteendet hos 48V litiumjonbatterier begränsad, och det saknas experimentella studier om den detaljerade temperaturfördelningen av hela batteripaketet.

Syftet med denna studie:är att experimentellt undersöka det termiska beteendet hos ett 48V litiumjonbatteri genom två kompletta laddningsurladdningscykler. Genom att använda 25 termoelement för att mäta på olika platser i batteripaketet hoppas vi kunna ge värdefulla insikter om värmegenereringen av batteripaketet och hjälpa till att välja rätt batterikylningssystem.

2. Experimentell bestämning

Litiumjonbatteriparametrar:Litiumjonbatterier är vanligtvis sammansatta av en anod, katod, elektrolyt och strömavtagare. Cylindriska, prismatiska och påsformade batterier används inom bilindustrin, och prismatiska konstruktioner kan förbättra utrymmesutnyttjandet och flexibiliteten. Denna studie använde ett prismatiskt NCM litiumjonbatteri med en nominell kapacitet på 8,23Ah. Batteripaketet består av 36 batterier anslutna i en 12s3p-konfiguration, vilket har fördelarna med enkel installation, modularitet, säkerhet och kompakthet, minimal påverkan på fordonets vikt och hög kostnadseffektivitet.

Experimentell layout:Den experimentella testanordningen inkluderar ett batteripaket, en högspännings högströms AVL-batterisimulator som styrs av AVL PUMA-systemet, en temperatursensor av K-typ med två datainsamlingsmoduler (ES620 ETAS) och en datorenhet för övervakning och lagring av data. Använd 25 termoelement för att övervaka batteriets temperatur, med mätpunkter placerade i de tre modulerna i batteripaketet. Termoelement hjälper till att upptäcka temperaturförändringar mellan de positiva och negativa polerna på samma batteri.

Laddnings- och urladdningscykler:Två kompletta laddnings- och urladdningscykeltester genomfördes med initiala temperaturer och laddningstillstånd (SoC) på 26 grader C respektive 47%. De maximala och lägsta strömmarna var 237A respektive -237A. SoC nådde två gånger de högsta och lägsta värdena, dvs. 91 % och 10 %, och testet avslutades när SoC nådde startvärdet. För att undvika termiskt fel på batteripaketet vid höga temperaturer, avslutades testet när temperaturen nådde 40 grader C. I denna studie nåddes temperaturgränsen i slutet av den andra cykeln.

Teoretisk bakgrund:Temperatureffekten av batterier är relaterad till interna material och kemiska reaktioner. Den termiska genereringen av litiumjonbatterier vid normala temperaturer är relaterad till laddningsöverföring och kemiska reaktioner under laddnings- och urladdningsprocesser. Termisk generering inkluderar reversibla processer (entropivärme) och irreversibla processer. Enligt termodynamikens lagar kan det transienta beteendet hos värme som genereras inuti ett batteri leda till olika temperaturförändringar. För att studera det termiska beteendet hos litiumjonbatterier och batteripaket definierades en namnkonvention och relaterade parametrar för temperatur, såsom maximal temperatur, lägsta temperatur, temperaturskillnad och medeltemperatur.

3. Resultat

SOC och spänning

Bilden nedan visar spänningen, strömmen och SoC för batteripaketet. Testtiden är uppdelad i 8 delar av två cykler, där LD, EC, LC och ED representerar sen urladdning, tidig laddning, sen laddning respektive tidig urladdning. I den första delen LD1 är strömmen -237A, och batteripaketet och batterispänningen minskar; I EC1-sektionen är strömmen 237A, SoC når 33% och batterispänningen ökar; I LC1-sektionen sjunker strömmen till 33A och batteripaketets spänning ökar; I avsnittet ED1 är strömmen -237A, och SoC och spänning minskar. I den andra cykeln visade batteripaketets ström, SoC och spänning en liknande tidsutveckling som den första cykeln, och testet slutade vid 2105s.

Litiumjonbatteripaket kräver vanligtvis långa perioder med hög konstant ström i praktiska tillämpningar, så BMS kommer att minska uteffekten för att garantera säkerheten. Figuren ovan visar en plötslig minskning av strömgränsen under den sena laddningsfasen på grund av batterivärmehantering.

Termisk prestanda

Figur a visar temperaturtidshistoriken för 8 termoelement i modul 1. Värdena för T1 och +12 låg i mitten av modulens temperaturintervall i början av testet, men sjönk till det lägsta i slutet av testa. T1 och -01 var lika med Tmin i början av den första cykeln, och temperaturen på batteriet i mitten av modulen var högst.

Figur b visar temperaturfördelningen för modul 2, där T2, -12 är Tmin, T2,+01 är den näst lägsta temperaturen och T2,+04 är Tmax.

Figur c visar temperaturfördelningen för modul 3, där T3, -01 är Tmin, T3,+12 är den näst lägsta temperaturen, T3,+04, T3, -06, och T3, -07 är Tmax.

Bilden nedan visar tidshistoriken för medeltemperaturen, maxtemperaturen, lägsta temperaturen och temperaturskillnaden för batteripaketet och varje modul. Trise för batteripaketet i EC1 och EC2 är 1,6 grader C respektive 1,2 grader C. Under hela urladdningscykeln (kombination av ED1 och LD2) är Trise cirka 5,8 grader C. Den maximala ∆ T är 2,0 grader C och 3,2 grader C i slutet av EC1 respektive EC2, medan minsta ∆ T är 1,3 grader C och 2,2 grader C i slutet av den första och andra fulla laddningscykeln, respektive T kan delas upp i skillnaden mellan Tmax och Tavg, samt skillnaden mellan Tavg och Tmin. Skillnaden mellan Tavg och Tmin varierar linjärt när strömmen ändras markant, medan skillnaden mellan Tmax och Tavg är känslig för ström och olinjär.

4. Diskussion

Batteriforskning:I samma litiumjonbatteri är temperaturen på den positiva polen högre än den för den negativa polen, med en maximal temperaturskillnad på cirka 0,6 grader C. Detta fenomen har också nämnts i litteraturen. Dessutom, i slutet av de två cyklerna, visas Tmin i T1,+12 och T1, -01 i modul 1, T2, -12 och T2,+01 i modul 2, och T3, -01 och T3,+12 i modul 3. Detta indikerar att Tmin visas på batteripaketets externa batteri, på grund av bättre konvektiv värmeöverföring och kyleffekt på modulens gränsyta jämfört med omgivningstemperaturen. Och Tmax för varje modul visas i mittbatteriet, men detta är inte symmetriskt, vilket indikerar det dynamiska beteendet och temperaturojämnheten för varje batteri. Detta fenomen illustrerar komplexiteten i detta dynamiska system och betonar vikten av att utvärdera temperaturbeteendet för alla moduler i batteripaketet.

Modulforskning:Tavg för modul 1 är högre än den för batteripaketet under den första hälften av LDs, ECs, EDs och LCs, vilket indikerar att modul 1 är känsligare för höga strömmar än andra moduler, genererar mer värme, stiger snabbare i temperatur, och utbyter värme bättre än andra moduler. Detta indikerar komplexiteten hos batteripaketsystemet, och det termiska beteendet för varje modul bör studeras och inspekteras separat.

Undersökning av batteripaket:I litiumjonbatterier, moduler och batteripaket ökar alltid temperaturen i ED, LD och EC. Därför visas Tmax inte bara i mitten av LC1 och LC2, utan också i slutet av EC1 och EC2. Med andra ord, när det är hög ström kommer temperaturen att stiga eftersom fler litiumjoner borde röra sig genom membranet och generera mer värme. Därför, i början av LCs, kommer det att finnas ett temperaturfall, följt av observation av ett kvasi-steady state-beteende hos temperaturen.

Under hela urladdningscykeln mellan två laddningscykler ökar temperaturen monotont; Totalt sett ökade Trise med 5,8 grader C från sitt initiala värde på 31,8 grader C. Dessutom visade ∆ T också samma uppåtgående trend från 1,3 grader C till 2,7 grader C. Detta beror på den höga strömmen baserat på ekvation (2) under denna period, liksom modul 1:s känslighet för ström. Dessutom visade Trise-mönstren i de två laddningscyklerna liknande trender. I början stiger den, sjunker sedan och håller slutligen en nästan konstant temperatur. Därför, när en högre ström appliceras på batteripaketet, kommer högre Trise och ∆ T att uppnås.

∆ T kan delas in i skillnaden mellan Tmax och Tavg, samt skillnaden mellan Tavg och Tmin. Tmax är mycket känsligt för temperaturgradienter och varierar över tiden, medan Tmin är mindre känsligt för förändringar i strömmen. Därför beror den viktigaste delen av temperaturförändringen i batteripaketet på beteendet hos Tmax. Med andra ord, skillnaden mellan Tavg och Tmin varierar linjärt när det finns en signifikant skillnad i ström, och lutningen ändras. Skillnaden mellan Tmax och Tavg är mycket känslig för ström, och lutningen kommer att öka med tiden. Därför, i det andra scenariot, förutom betydande variationer i stora strömskillnader, uppvisar ∆ T inget linjärt beteende i både konstanta och dynamiska strömmar. Framtida arbete bör fokusera på att utveckla effektiva kylsystem och utforska olika värmehanteringsstrategier för att förbättra prestanda och säkerhet för litiumjonbatterier baserat på resultaten från denna studie.

5. Sammanfattning

Den här artikeln studerar det termiska beteendet hos 48V litiumjonbatterier under dynamisk ström, vilket är avgörande för att förstå den säkra och tillförlitliga driften av litiumjonbatteripaket, särskilt i applikationer som kräver hög effekt och energitäthet.

De experimentella resultaten indikerar att temperaturbeteendet hos batteripaketet är komplext och olinjärt, med skillnader mellan olika batterier, moduler och hela batteripaketet. Temperaturen utanför batteripaketet är lägre än det interna batteriet på grund av bättre konvektiv värmeöverföring, och den positiva poltemperaturen för ett enskilt batteri är högre än den negativa poltemperaturen. En modul är känsligare för höga strömmar, vilket resulterar i snabbare temperaturhöjning och värmealstring, vilket endast kan erhållas genom att studera alla moduler i samma litiumjonbatteri.

Temperaturbeteendet hos batteripaketet påverkas främst av Tmax, som är mer känsligt för ström. Trise beror främst på hög ström och värmen som genereras av litiumjonernas rörelse genom separatorn. Skillnaden mellan Tmin och Tavg varierar linjärt under konstant ström, medan skillnaden mellan Tmax och Tavg varierar olinjärt under strömförändringar, speciellt under stora strömskillnader.

Sammantaget indikerar forskningsresultaten vikten av att individuellt undersöka och utvärdera det termiska beteendet för varje batteri, modul och hela batteripaketet för att förstå komplexiteten och det olinjära beteendet hos litiumjonbatterier under dynamiska strömmar. Resultaten av denna studie kommer att bidra till utvecklingen av mer effektiva och pålitliga batterivärmehanteringssystem för litiumjonbatterier i fordonstillämpningar i framtiden. När man bestämmer strategier och parametrar för batterivärmehantering är det nödvändigt att överväga skillnaderna mellan modulen Tavg, Tavgs beroende av Tmax och effekten av batteriets placering på dess temperaturförändringar.