Equilibrando desempenho e segurança: uma análise abrangente das características térmicas de descarga de carga da bateria de íon de lítio 48V

Este artigo usa 25 termopares para estudar experimentalmente a distribuição de temperatura e o comportamento de uma bateria de íon de lítio (íon de lítio) de 48 V durante dois ciclos de descarga de carga. Os resultados indicam que ocorre melhor transferência de calor por convecção na superfície externa da embalagem, enquanto a bateria intermediária atinge sua temperatura máxima. Diferenças também foram observadas no comportamento dos três módulos. O ciclo de descarga mostra um aumento de temperatura de 5,8 graus C, e o gradiente de temperatura da bateria aumenta de 1,3 graus C para 2,7 graus C. Este estudo enfatiza a importância de avaliar o comportamento térmico de cada módulo e a complexidade do íon-lítio sistemas de baterias. No mesmo estudo, descobertas sobre baterias, módulos e conjuntos de baterias podem fornecer informações valiosas para projetar sistemas de resfriamento eficientes para conjuntos de baterias de íons de lítio.

1. Introdução

Baterias de íon de lítio:As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio são consideradas dispositivos de armazenamento de energia adequados para veículos híbridos moderados devido à sua alta densidade de energia, potência específica, leveza, baixa taxa de autodescarga, alta reciclabilidade e longa vida útil. Nos últimos 13 anos, o preço das baterias de íons de lítio diminuiu significativamente. No entanto, a alta temperatura e a distribuição desigual de temperatura são os principais problemas das baterias de íon-lítio, e a temperatura desempenha um papel importante em seu ciclo de vida e capacidade energética.

Deficiências de pesquisas anteriores:Estudos anteriores sobre o comportamento térmico de baterias de iões de lítio em veículos híbridos moderados centraram-se principalmente em baterias individuais ou conjuntos de baterias, carecendo de uma análise detalhada do impacto de parâmetros externos (como a presença de outras baterias) no comportamento térmico da bateria. Além disso, o escopo da pesquisa sobre o comportamento térmico das baterias de íons de lítio de 48 V é limitado e faltam estudos experimentais sobre a distribuição detalhada da temperatura de toda a bateria.

O objetivo deste estudo:é investigar experimentalmente o comportamento térmico de uma bateria de íons de lítio de 48 V através de dois ciclos completos de carga e descarga. Usando 25 termopares para medir em diferentes locais da bateria, esperamos fornecer informações valiosas sobre a geração de calor da bateria e ajudar a selecionar o sistema de resfriamento da bateria apropriado.

2. Determinação Experimental

Parâmetros da bateria de íon de lítio:As baterias de íon de lítio são normalmente compostas de ânodo, cátodo, eletrólito e coletor de corrente. Baterias cilíndricas, prismáticas e em formato de bolsa são usadas na indústria automotiva, e projetos prismáticos podem melhorar a utilização do espaço e a flexibilidade. Este estudo utilizou uma bateria prismática de íons de lítio NCM com capacidade nominal de 8,23Ah. O conjunto de baterias é composto por 36 baterias conectadas em uma configuração 12s3p, que apresenta as vantagens de fácil instalação, modularidade, segurança e compacidade, mínimo impacto no peso do veículo e alto custo-benefício.

Layout experimental:O dispositivo de teste experimental inclui uma bateria, um simulador de bateria AVL de alta tensão e alta corrente controlado pelo sistema AVL PUMA, um sensor de temperatura tipo K com dois módulos de aquisição de dados (ES620 ETAS) e uma unidade de computador para monitoramento e armazenamento de dados. Utilize 25 termopares para monitorar a temperatura da bateria, com pontos de medição localizados nos três módulos da bateria. Os termopares ajudam a detectar mudanças de temperatura entre os terminais positivo e negativo da mesma bateria.

Ciclos de carga e descarga:Dois testes completos de ciclo de carga e descarga foram realizados com temperaturas iniciais e estados de carga (SoC) de 26 graus C e 47%, respectivamente. As correntes máxima e mínima foram 237A e -237A, respectivamente. O SoC atingiu o dobro dos valores mais alto e mais baixo, ou seja, 91% e 10%, e o teste terminou quando o SoC atingiu o valor inicial. Para evitar falha térmica da bateria em altas temperaturas, o teste foi encerrado quando a temperatura atingiu 40 graus C. Neste estudo, o limite de temperatura foi atingido no final do segundo ciclo.

Fundamento teórico:O efeito da temperatura das baterias está relacionado aos materiais internos e às reações químicas. A geração térmica de baterias de íon-lítio em temperaturas normais está relacionada à transferência de carga e às reações químicas durante os processos de carga e descarga. A geração térmica inclui processos reversíveis (calor de entropia) e processos irreversíveis. De acordo com as leis da termodinâmica, o comportamento transitório do calor gerado no interior de uma bateria pode levar a diferentes mudanças de temperatura. Para estudar o comportamento térmico de baterias e conjuntos de baterias de íon-lítio, foram definidas uma convenção de nomenclatura e parâmetros relacionados para temperatura, como temperatura máxima, temperatura mínima, diferença de temperatura e temperatura média.

3. Resultados

SOC e Tensão

A figura abaixo mostra a tensão, corrente e SoC da bateria. O tempo de teste é dividido em 8 partes de dois ciclos, com LD, EC, LC e ED representando descarga tardia, carga antecipada, carga tardia e descarga antecipada, respectivamente. Na primeira parte LD1, a corrente é -237A, e a bateria e a tensão da bateria diminuem; Na seção EC1, a corrente é de 237A, o SoC chega a 33% e a tensão da bateria aumenta; Na seção LC1, a corrente cai para 33A e a tensão da bateria aumenta; Na seção ED1, a corrente é -237A, e o SoC e a tensão diminuem. No segundo ciclo, a corrente, o SoC e a tensão da bateria mostraram uma evolução temporal semelhante à do primeiro ciclo, e o teste terminou em 2105s.

As baterias de íon de lítio normalmente requerem longos períodos de alta corrente constante em aplicações práticas, portanto a BMS reduzirá a produção para garantir a segurança. A figura acima mostra uma diminuição repentina no limite de corrente durante a fase final de carregamento devido ao gerenciamento térmico da bateria.

Desempenho térmico

A Figura a mostra o histórico de temperatura de 8 termopares no Módulo 1. Os valores de T1 e+12 estavam no meio da faixa de temperatura do módulo no início do teste, mas caíram para o valor mais baixo no final do teste. teste. T1 e -01 eram iguais a Tmin no início do primeiro ciclo, e a temperatura da bateria no meio do módulo era a mais alta.

A Figura b mostra a distribuição de temperatura do módulo 2, onde T2, -12 é Tmin, T2,+01 é a segunda temperatura mais baixa e T2,+04 é Tmax.

A Figura c mostra a distribuição de temperatura do módulo 3, onde T3, -01 é Tmin, T3,+12 é a segunda temperatura mais baixa, T3,+04, T3, -06, e T3, -07 é Tmáx.

A figura abaixo mostra o histórico temporal da temperatura média, temperatura máxima, temperatura mínima e diferença de temperatura da bateria e de cada módulo. O Trise da bateria em EC1 e EC2 é 1,6 graus C e 1,2 graus C, respectivamente. Durante o ciclo de descarga completo (combinação de ED1 e LD2), o Trise é de aproximadamente 5,8 graus C. O ∆ T máximo é 2,0 graus C e 3,2 graus C no final de EC1 e EC2, respectivamente, enquanto o ∆ T mínimo é 1,3 graus C e 2,2 graus C no final do primeiro e segundo ciclos completos de carga, respectivamente T pode ser dividido pela diferença entre Tmax e Tavg, bem como a diferença entre Tavg e Tmin. A diferença entre Tavg e Tmin varia linearmente quando a corrente muda significativamente, enquanto a diferença entre Tmax e Tavg é sensível à corrente e não linear.

4. Discussão

Pesquisa de bateria:Na mesma bateria de íons de lítio, a temperatura do terminal positivo é maior que a do terminal negativo, com uma diferença máxima de temperatura de cerca de 0,6 graus C. Este fenômeno também foi mencionado na literatura. Além disso, ao final dos dois ciclos, Tmin aparece em T1,+12 e T1, -01 no módulo 1, T2, -12 e T2,+01 no módulo 2, e T3, -01 e T3,+12 no módulo 3. Isso indica que Tmin aparece na bateria externa da bateria, devido à melhor transferência de calor por convecção e efeito de resfriamento no limite do módulo superfície em comparação com a temperatura ambiente. E o Tmax de cada módulo aparece na bateria do meio, mas não é simétrico, indicando o comportamento dinâmico e a não uniformidade de temperatura de cada bateria. Este fenômeno ilustra a complexidade deste sistema dinâmico e enfatiza a importância de avaliar o comportamento da temperatura de todos os módulos da bateria.

Pesquisa do módulo:O Tavg do Módulo 1 é maior que o da bateria na primeira metade dos LDs, ECs, EDs e LCs, indicando que o Módulo 1 é mais sensível a altas correntes do que outros módulos, gera mais calor, aumenta mais rapidamente a temperatura, e troca calor melhor do que outros módulos. Isto indica a complexidade do sistema de bateria, e o comportamento térmico de cada módulo deve ser estudado e inspecionado separadamente.

Pesquisa de bateria:Em baterias, módulos e conjuntos de baterias de íon-lítio, a temperatura sempre aumenta em EDs, LDs e ECs. Portanto, o Tmax aparece não apenas no meio de LC1 e LC2, mas também no final de EC1 e EC2. Em outras palavras, quando há alta corrente, a temperatura aumentará porque mais íons de lítio deverão se mover através da membrana e gerar mais calor. Portanto, no início dos LCs, haverá uma queda de temperatura, seguida pela observação do comportamento da temperatura em estado quase estacionário.

Durante o ciclo completo de descarga entre dois ciclos de carga, a temperatura aumenta monotonicamente; No geral, Trise aumentou 5,8 graus C em relação ao seu valor inicial de 31,8 graus C. Além disso, ∆ T também mostrou a mesma tendência ascendente de 1,3 graus C para 2,7 graus C. Isto se deve à alta corrente com base na equação (2) durante este período, bem como a sensibilidade do módulo 1 à corrente. Além disso, os padrões Trise nos dois ciclos de carregamento mostraram tendências semelhantes. No início, ela sobe, depois cai e, finalmente, mantém uma temperatura quase estacionária. Portanto, quando uma corrente mais alta é aplicada à bateria, Trise e ∆ T mais altos serão alcançados.

∆ T pode ser dividido na diferença entre Tmax e Tavg, bem como na diferença entre Tavg e Tmin. Tmax é altamente sensível a gradientes de temperatura e varia ao longo do tempo, enquanto Tmin é menos sensível a mudanças na corrente. Portanto, a parte mais importante da mudança de temperatura na bateria se deve ao comportamento do Tmax. Em outras palavras, a diferença entre Tavg e Tmin varia linearmente quando há uma diferença significativa na corrente e a inclinação muda. A diferença entre Tmax e Tavg é muito sensível à corrente e a inclinação aumentará com o tempo. Portanto, no segundo cenário, exceto por variações significativas em grandes diferenças de corrente, ∆ T não apresenta comportamento linear tanto em correntes constantes quanto dinâmicas. Os trabalhos futuros devem concentrar-se no desenvolvimento de sistemas de refrigeração eficientes e na exploração de diferentes estratégias de gestão térmica para melhorar o desempenho e a segurança das baterias de iões de lítio com base nos resultados obtidos neste estudo.

5. Resumo

Este artigo estuda o comportamento térmico de baterias de íons de lítio de 48V sob corrente dinâmica, o que é crucial para a compreensão da operação segura e confiável de baterias de íons de lítio, especialmente em aplicações que exigem alta potência e densidade de energia.

Os resultados experimentais indicam que o comportamento da temperatura da bateria é complexo e não linear, com diferenças entre as diferentes baterias, módulos e toda a bateria. A temperatura externa da bateria é inferior à da bateria interna devido à melhor transferência de calor por convecção, e a temperatura do terminal positivo de uma única bateria é superior à temperatura do terminal negativo. Um módulo é mais sensível a altas correntes, resultando em aumento mais rápido de temperatura e geração de calor, que só pode ser obtido estudando todos os módulos na mesma bateria de íons de lítio.

O comportamento da temperatura da bateria é influenciado principalmente pelo Tmax, que é mais sensível à corrente. Trise se deve principalmente à alta corrente e ao calor gerado pelo movimento dos íons de lítio através do separador. A diferença entre Tmin e Tavg varia linearmente sob corrente constante, enquanto a diferença entre Tmax e Tavg varia de forma não linear sob mudanças de corrente, especialmente sob grandes diferenças de corrente.

No geral, os resultados da pesquisa indicam a importância de examinar e avaliar individualmente o comportamento térmico de cada bateria, módulo e de toda a bateria para compreender a complexidade e o comportamento não linear das baterias de íons de lítio sob correntes dinâmicas. Os resultados deste estudo contribuirão para o desenvolvimento de sistemas de gerenciamento térmico de baterias mais eficientes e confiáveis ​​para baterias de íons de lítio em aplicações automotivas no futuro. Ao determinar estratégias e parâmetros de gerenciamento térmico da bateria, é necessário considerar as diferenças entre o módulo Tavg, a dependência de Tavg em Tmax e o impacto da localização da bateria nas mudanças de temperatura.