Abstrakt
Prestandan hos litiumjonbatterier beror till stor del på batteriets driftstemperatur. Temperaturdata som vanligtvis erhålls mäts emellertid av termoelement som är fästa på batteriets yta, vilka kanske inte exakt återspeglar den faktiska temperaturen inuti batteriet, särskilt vid låga omgivningstemperaturer och höga urladdningshastigheter. Den här artikeln kommer att introducera en innovativ metod som använder differentialspänningsteknik för att förutsäga den interna temperaturen hos ett 40Ah litiumjonbatteri med mjukt batteri. Skillnaden mellan interna och externa temperaturmätningar beror på urladdningshastigheten och den omgivande temperaturen. Under den kontinuerliga urladdningsprocessen ökar skillnaden mellan ytan och den uppmätta temperaturen i det tidiga urladdningsskedet, når sin topp i mittsteget och minskar sedan i det sena urladdningsskedet. Resultaten av denna studie kan aktivt stödja styrstrategier i batterihanteringssystem (BMS).
1. Inledning
Med den ökade uppmärksamheten på miljöfrågor och regeringarnas engagemang för att minska utsläppen, värderas elfordon (EV) alltmer som en potentiell lösning. En av nyckelfaktorerna för deras framgång är det energilagringssystem (ESS) som används. Den idealiska ESS-enheten bör ha hög energi- och effekttäthet, utmärkt livslängd och visa tillförlitlighet under olika driftsförhållanden såsom körcykler, temperatur etc. Inom kommersiell batteriteknologi har litiumjonbatterier blivit det föredragna valet för rena elfordon (BEVs) ) på grund av deras högsta volym och vikt energi/effekttäthet.
BEV:er baserade på litiumjonbatterier kommer avsevärt att minska deras räckvidd och effektprestanda under låga temperaturer och höga C-hastighetsförhållanden. Orsakerna till prestandaförsämring inkluderar minskad elektrolytledningsförmåga, minskad solid-state litiumdiffusion, hög polarisering av grafitanoder och långsam laddningsöverföringskinetik. I studien av 2,2 Ah 18650 litiumjonbatterier beror batteriets elektrokemiska prestanda starkt på dess driftstemperatur. Batteriernas driftstemperatur mäts dock vanligtvis av termoelement som är fästa på batteriets yta, vilket kanske inte exakt återspeglar de elektrokemiska processerna inuti batteriet. Differentialspänningsmätning (DV) används för att sluta sig till den stökiometriska inriktningen av elektroderna vid eller nära jämvikt för att detektera kapacitetsförsämring. För att undvika laddningsöverföringsfenomen bör hög ström undvikas. DV representerar spänningsvariationen per enhetsurladdningskapacitet (dV/dQ), vilket återspeglar den kumulativa påverkan av driftförhållanden (omgivningstemperatur, C-hastighet, SOC, impedans och självuppvärmning) på batteriet.
Målet med den här artikeln är att använda DV-teknik för att förutsäga batteriernas "effektiva motstånd" under olika kontinuerliga urladdningsströmmar vid omgivningstemperaturer från -20 till 25 grader C, och sedan förutsäga deras interna temperatur. Avvikelsen mellan de interna och uppmätta batteriyttemperaturerna är direkt relaterad till urladdningsströmmen och minskar med minskningen av omgivningstemperaturen. Dessa förutsägelser kan hjälpa till att förbättra noggrannheten i batteritemperaturuppskattningen och förbättra kontrollstrategier inom batterihanteringssystem (BMS).
2. Forskningsmetoder
A. Experimentella detaljer
För att undersöka batteriets beteende testades ett litiumjonbatteri som vägde 0.97 kg med en positiv NMC-elektrod. Batteriet har en nominell spänning på 3,7 volt och en kapacitet på 40 amperetimmar. Ett termoelement av K-typ är installerat i det geometriska mitten av huvudytan på mjukpaketsbatteriet. Batteriet placeras i Votsch-varmcellen och utsätts för laddnings- och urladdningscykler med hjälp av en Bitrode-battericykler. Testet utfördes vid fyra olika omgivningstemperaturer: -20 grader C, -10 grader C, 0 grader C och 25 grader C. Laddning utförs endast vid 25 grader C, laddning med en hastighet av 0,5C (20 ampere) tills spänningen når 4,2 volt. Laddningsströmmen sjunker sedan till 0.05C med bibehållen spänning på 4,2 volt. Urladdningsströmmarna som används inkluderar 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C och 8C. De direkt uppmätta parametrarna inkluderar batterispänning (V), kapacitet (Ah), effekt (W), urladdningsenergi (Wh) och batteriyta (uppmätt) temperatur (grad C). Brytspänningen för detta batteri är 2,7 volt.
B. För att beräkna den "interna temperaturen" från mätparametrar med hjälp av differentialspänningsteknik, har vi tagit följande steg för intern temperaturförutsägelse (se figur 1):
1. Beräkning av spänningsändring:Beräkna spänningsändringen (∆ V) vid varje tidssteg.
2. Effektiv resistansberäkning:"Effektivt motstånd" R är en linjär funktion av DV, erhållen genom att dividera ∆ V med urladdningsströmmen.
Figur 1. Enkel värmegenereringsmodell
3. Värmegenereringsberäkning:Beräkna värmen som genereras vid varje tidssteg Qgen=∆ V ²/R.
4. Värmeledningsberäkning:Värmeledningsberäkningen från batterikärnan till ytan är Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), där k är batteriets plana värmeledningsförmåga, A är ytarean, och L är avståndet mellan batterikärnan och ytan.
5. Beräkning av konvektiv värmeöverföring:Beräkningen av konvektiv värmeöverföring på batteriets yta är Qconv=(h × A × (T-Tamb)), där h är den konvektiva värmeöverföringskoefficienten och Tamb är den omgivande temperaturen.
6. Temperaturändringsberäkning:Beräkna temperaturändringen ∆ T varje sekund som (QGen Qcond QConv)/(m × C). Här är t tidssteget (i sekunder), m är 0,97 kilogram och C är värmekapaciteten. Om du antar att Qbond är noll vid t=0 sekunder, använd sedan Qbond från föregående tidssteg.
7. Intern temperaturberäkning:Beräkna den inre temperaturen genom att integrera ∆ T vid varje tidssteg.
Denna metod ger ett nytt tillvägagångssätt för att exakt förutsäga batteriernas inre temperatur genom att överväga deras elektrokemiska prestanda och termiska egenskaper, vilket är av stor betydelse för att optimera batterihanteringssystem (BMS) och förbättra batteriprestanda.
Tabell 1. Batteriparametrar för litiumjonbatterier
| Parameter | Värde |
| Värmeledningsförmåga, k | 0.48 W/m/grad |
| Ytarea, A | 0.10125 m² |
| Celltjocklek, L | 0.0009 m |
| Värmekapacitet, C | 1243 J/grad/kg |
| Konvektiv koefficient, h | 10W/m²/grad |
3. Resultat och diskussion
A. Inverkan av C-hastighet och omgivningstemperatur på urladdningskapacitet och urladdningsenergi
De experimentella resultaten visar att energin som frigörs av batteriet minskar med ökningen av C-hastigheten och minskningen av omgivningstemperaturen. Detta beror på att ökningen av batteriimpedans leder till en snabbare minskning av batterispänningen, inklusive en minskning av jonledningsförmåga, en ökning av elektrolytmotstånd, högre anodpolarisation, långsammare laddningsöverföring och otillräcklig litiumfastfasdiffusion.
Figur 2. Spänningsutveckling med urladdningsenergi vid olika omgivningstemperaturer och c-hastigheter
Vid urladdning vid 5C vid -10 grader C kommer spänningen att stiga under en avsevärd tid under urladdningscykeln. Detta beror på att självuppvärmning gör att batteritemperaturen ökar, vilket resulterar i en minskning av elektrolytmotståndet på grund av en ökning i jonledningsförmåga och saltdiffusionshastighet, vilket gör att urladdningsenergin blir högre än under isotermisk urladdning. Vid -10 grad C är urladdningskapaciteten på 5C 3,6 % högre än 1C, men urladdningsenergin är 2,9 % lägre; Vid 0 grad C är urladdningskapaciteten på 5C 1 % högre än 1C, och urladdningsenergin är 5,3 % lägre, vilket indikerar att kapacitetsfördelarna med självuppvärmning kan överskattas, och det mesta av den ökade kapaciteten är används för batteriuppvärmning.
Figur 3. Spänningsutveckling för batterier med urladdningskapacitet vid olika omgivningstemperaturer och c-hastigheter
B. Inverkan av C-hastighet och omgivningstemperatur på att förutsäga intern temperatur med hjälp av differentialspänning
Figur 4. Effektivt motstånd och urladdningsenergi vid olika omgivningstemperaturer och C-hastigheter
Det effektiva motståndet ökar i allmänhet med sjunkande omgivningstemperatur och ökande C-hastighet, vilket innebär att någon gång i urladdningscykeln ändras spänningen mer signifikant när energi frigörs. Vid lägre omgivningstemperaturer, speciellt vid höga C-hastigheter, är det effektiva motståndet högre på grund av låg jonledningsförmåga, långsam laddningsöverföring, hög elektrolytresistans och långsam diffusion i fast tillstånd. Detta överensstämmer med tidigare studier som visar att DC-resistansen ökar med sjunkande omgivningstemperatur och ökande C-hastigheter, och det effektiva motståndet ökar i slutet av urladdningen. Även om självuppvärmningsgraden för 5C-urladdning är hög vid -10 grader C, är dess effektiva motstånd fortfarande det högsta, möjligen på grund av den korta urladdningstiden.
Figur 5. Jämförelse av interna (I) och uppmätta (M) temperaturer vid olika C-hastigheter vid en omgivningstemperatur på 25 grader
Figur 6. Jämförelse av interna (I) och uppmätta (M) temperaturer vid olika C-hastigheter vid 0 graders omgivningstemperatur
Under urladdning ökar både den uppmätta temperaturen och den interna temperaturen, med högre temperaturökning och större ökning av inre temperatur vid hög C-hastighet och låg omgivningstemperatur. I enlighet med andra studier är den maximala skillnaden mellan interna och uppmätta temperaturer under urladdningscykeln (∆ T) proportionell mot motsvarande C-hastighet, och skillnaden ökar när omgivningstemperaturen minskar. ∆ T under olika driftsförhållanden i denna artikel är något högre än studien som endast undersöker yttemperaturgradienter, men överensstämmer mer med studien som jämför interna och yttemperaturer, vilket indikerar att den uppskattade interna temperaturen i denna artikel representerar den totala genomsnittliga temperaturen på batteriet, och den uppmätta temperaturen kommer från ytsensor/termoelementavläsningar. Skillnaden mellan batteriets inre temperatur och den uppmätta temperaturen ökar i allmänhet med urladdning, når en topp i mitten av urladdningen och minskar sedan. Storleken på skillnaden ökar med ökningen av C-hastighet och omgivningstemperatur.
Figur 7. Jämförelse av interna (I) och uppmätta (M) temperaturer vid olika C-hastigheter vid en omgivningstemperatur på 25 grader.
Figur 8. Utveckling av intern temperatur och uppmätt batteritemperaturskillnad var 30:e Wh urladdning
4. Sammanfattning
Vid lägre omgivningstemperaturer kan kapacitetsfördelarna med självuppvärmning överskattas och kanske inte översättas till en ökning av tillgänglig energi för batteriet.
Begränsningar av självuppvärmningseffekt:I lågtemperaturmiljöer, även om batteriernas självuppvärmningseffekt kan öka urladdningskapaciteten, betyder det inte alltid att energin som frigörs av batteriet ökar. Detta beror på att den ökade kapaciteten främst kan användas för att värma batteriet, snarare än för att utföra arbete eller ge mer elektrisk energi.
Det effektiva motståndet hos ett batteri är större vid högre urladdningsströmmar och lägre omgivningstemperaturer.
Förhållandet mellan effektivt motstånd och driftsförhållanden:Effektivt motstånd är en viktig parameter för ett batteri under specifika driftsförhållanden, som ökar med ökningen av urladdningsströmmen och minskningen av omgivningstemperaturen. Detta indikerar att jonledning och laddningsöverföring inuti batteriet hindras mer under hög strömurladdning och låga temperaturer.
Skillnaden mellan batteriets inre temperatur och batteriets uppmätta yttemperatur ökar med ökningen av urladdningsströmmen och minskningen av omgivningstemperaturen.
Förhållandet mellan temperaturskillnad och driftsförhållanden:Skillnaden mellan inner- och yttemperatur (∆ T) är direkt relaterad till urladdningsström och omgivningstemperatur. Detta innebär att i miljöer med hög strömurladdning och låg temperatur kan temperaturen inuti batteriet vara mycket högre än yttemperaturen, vilket är avgörande för värmehantering och prestandaoptimering av batteriet.
Under urladdningscykeln ökar skillnaden mellan batteriets interna temperatur och batteriets uppmätta yttemperatur i de tidiga urladdningsstadierna, når sin topp i mellanstadierna och minskar sedan i de sena urladdningsstadierna.
Dynamiska förändringar i temperaturskillnader:Trenden med temperaturskillnader mellan batteriets inre och yta under urladdning återspeglar komplexiteten i batteriets interna termiska dynamik. Denna skillnad ökar i de tidiga stadierna av urladdning, möjligen på grund av den snabba ökningen av värme som genereras internt när batteriet börjar ladda ur. En topp under mitten av urladdningen kan bero på den högsta interna temperaturen i batteriet, medan en minskning mot slutet av urladdningen kan bero på en minskning av värme som genereras i batteriet och början av kylning.
Dessa observationer är avgörande för design och optimering av batterihanteringssystem (BMS), eftersom de ger värdefull information om batteriernas beteende under olika driftsförhållanden. Genom att förstå och förutsäga dessa fenomen är det möjligt att mer effektivt hantera batteriets temperatur och därigenom förbättra dess prestanda och livslängd.