Veikimo ir saugos balansavimas: išsami 48 V ličio jonų akumuliatoriaus įkrovimo iškrovimo šiluminių charakteristikų analizė

Šiame straipsnyje naudojamos 25 termoporos, skirtos eksperimentiniam 48 V ličio jonų (Li ion) akumuliatoriaus bloko temperatūros pasiskirstymui ir elgesiui tirti per du įkrovimo iškrovimo ciklus. Rezultatai rodo, kad geresnis konvekcinis šilumos perdavimas vyksta išoriniame pakuotės paviršiuje, o vidurinė baterija pasiekia maksimalią temperatūrą. Taip pat buvo pastebėti trijų modulių veikimo skirtumai. Iškrovos ciklas rodo temperatūros padidėjimą 5,8 °C, o akumuliatoriaus temperatūros gradientas padidėja nuo 1,3 °C iki 2,7 °C. Šiame tyrime pabrėžiama, kad svarbu įvertinti kiekvieno modulio šiluminį elgesį ir ličio jonų sudėtingumą. baterijų paketų sistemos. Tame pačiame tyrime atradimai apie baterijas, modulius ir akumuliatorių paketus gali suteikti vertingų įžvalgų kuriant efektyvias ličio jonų baterijų blokų aušinimo sistemas.

1. Įvadas

Ličio jonų baterijos:Įkraunamos ličio jonų baterijos laikomos tinkamais energijos kaupimo įtaisais nestiprioms hibridinėms transporto priemonėms dėl didelio energijos tankio, specifinės galios, lengvumo, mažo savaiminio išsikrovimo greičio, didelio perdirbimo ir ilgo naudojimo. Per pastaruosius 13 metų ličio jonų baterijų paketų kaina gerokai sumažėjo. Tačiau aukšta temperatūra ir netolygus temperatūros pasiskirstymas yra pagrindinės ličio jonų baterijų problemos, o temperatūra vaidina svarbų vaidmenį jų gyvavimo cikle ir energijos talpoje.

Ankstesnių tyrimų trūkumai:Ankstesniuose ličio jonų akumuliatorių šiluminės elgsenos tyrimuose lengvose hibridinėse transporto priemonėse daugiausia dėmesio buvo skirta atskiroms baterijoms arba akumuliatorių paketams, nes nebuvo išsamios išorinių parametrų (pvz., kitų akumuliatorių buvimo) poveikio akumuliatoriaus šiluminiam elgesiui analizės. Be to, 48 V ličio jonų baterijų paketų šiluminės elgsenos tyrimų apimtis yra ribota, o eksperimentinių tyrimų apie išsamų viso baterijų bloko temperatūros pasiskirstymą trūksta.

Šio tyrimo tikslas:yra eksperimentiškai ištirti 48 V ličio jonų baterijų bloko šiluminį elgesį per du pilnus įkrovimo iškrovimo ciklus. Naudodami 25 termoporas matuoti skirtingose ​​baterijos bloko vietose, tikimės pateikti vertingų įžvalgų apie akumuliatoriaus šilumos generavimą ir padėti pasirinkti tinkamą akumuliatoriaus aušinimo sistemą.

2. Eksperimentinis nustatymas

Ličio jonų akumuliatoriaus parametrai:Ličio jonų akumuliatoriai paprastai susideda iš anodo, katodo, elektrolito ir srovės kolektoriaus. Cilindrinės, prizminės ir maišelio formos baterijos naudojamos automobilių pramonėje, o prizminės konstrukcijos gali pagerinti erdvės panaudojimą ir lankstumą. Šiame tyrime buvo naudojamas prizminis NCM ličio jonų akumuliatorius, kurio vardinė talpa 8,23 Ah. Akumuliatorių paketą sudaro 36 baterijos, sujungtos 12s3p konfigūracija, kurios pranašumai yra lengvas montavimas, moduliškumas, saugumas ir kompaktiškumas, minimalus poveikis transporto priemonės svoriui ir didelis ekonomiškumas.

Eksperimentinis išdėstymas:Eksperimentinio testavimo įrenginyje yra akumuliatorių blokas, AVL PUMA sistema valdomas aukštos įtampos aukštos srovės AVL baterijos simuliatorius, K tipo temperatūros jutiklis su dviem duomenų rinkimo moduliais (ES620 ETAS), kompiuterinis blokas duomenims stebėti ir saugoti. Akumuliatoriaus temperatūrai stebėti naudokite 25 termoporas, kurių matavimo taškai yra trijuose akumuliatoriaus bloko moduliuose. Termoporos padeda aptikti temperatūros pokyčius tarp teigiamų ir neigiamų tos pačios baterijos gnybtų.

Įkrovimo ir iškrovimo ciklai:Buvo atlikti du pilni įkrovimo ir iškrovimo ciklų bandymai, kai pradinė temperatūra ir įkrovimo būsena (SoC) buvo atitinkamai 26 °C ir 47%. Didžiausia ir mažiausia srovė buvo atitinkamai 237A ir -237A. SoC pasiekė du kartus aukščiausią ir mažiausią reikšmes, ty 91% ir 10%, o bandymas baigėsi, kai SoC pasiekė pradinę vertę. Siekiant išvengti terminio akumuliatoriaus gedimo esant aukštai temperatūrai, bandymas buvo nutrauktas, kai temperatūra pasiekė 40 laipsnių C. Šiame tyrime temperatūros riba buvo pasiekta antrojo ciklo pabaigoje.

Teorinis pagrindas:Baterijų temperatūros poveikis yra susijęs su vidinėmis medžiagomis ir cheminėmis reakcijomis. Ličio jonų baterijų šiluminė generacija esant normaliai temperatūrai yra susijusi su krūvio perkėlimu ir cheminėmis reakcijomis įkrovimo ir iškrovimo procesų metu. Šiluminė generacija apima grįžtamuosius procesus (entropijos šilumą) ir negrįžtamus procesus. Remiantis termodinamikos dėsniais, trumpalaikis akumuliatoriaus viduje susidarančios šilumos elgesys gali sukelti skirtingus temperatūros pokyčius. Norint ištirti ličio jonų baterijų ir baterijų blokų šiluminį elgesį, buvo apibrėžta pavadinimų suteikimo taisyklė ir susiję temperatūros parametrai, tokie kaip maksimali temperatūra, minimali temperatūra, temperatūrų skirtumas ir vidutinė temperatūra.

3. Rezultatai

SOC ir įtampa

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta akumuliatoriaus įtampa, srovė ir SoC. Bandymo laikas yra padalintas į 8 dviejų ciklų dalis, kur LD, EC, LC ir ED atitinkamai reiškia vėlyvą iškrovimą, ankstyvą įkrovimą, vėlyvą įkrovimą ir ankstyvą iškrovimą. Pirmoje dalyje LD1 srovė yra -237A, o akumuliatoriaus paketas ir akumuliatoriaus įtampa mažėja; EC1 skyriuje srovė yra 237A, SoC siekia 33%, o akumuliatoriaus įtampa didėja; LC1 sekcijoje srovė nukrenta iki 33A, o akumuliatoriaus bloko įtampa didėja; ED1 skyriuje srovė yra -237A, o SoC ir įtampa mažėja. Antrojo ciklo metu akumuliatoriaus bloko srovė, SoC ir įtampa rodė panašią laiko raidą kaip ir pirmasis ciklas, o bandymas baigėsi 2105 s.

Ličio jonų baterijos paprastai reikalauja ilgų didelės nuolatinės srovės laikotarpių, todėl BMS sumažins galią, kad užtikrintų saugumą. Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytas staigus srovės ribos sumažėjimas vėlyvos įkrovimo fazės metu dėl akumuliatoriaus šilumos valdymo.

Šiluminis našumas

Paveikslėlyje a parodyta 8 termoporų 1 modulio temperatūros trukmė. T1 ir +12 reikšmės buvo modulio temperatūros intervalo viduryje bandymo pradžioje, bet nukrito iki žemiausio testo pabaigoje. bandymas. T1 ir -01 pirmojo ciklo pradžioje buvo lygūs Tmin, o akumuliatoriaus temperatūra modulio viduryje buvo aukščiausia.

b paveiksle parodytas 2 modulio temperatūros pasiskirstymas, kur T2, -12 yra Tmin, T2, +01 yra antra žemiausia temperatūra, o T2,+04 yra Tmax.

c paveiksle parodytas 3 modulio temperatūros pasiskirstymas, kur T3, -01 yra Tmin, T3, +12 yra antra žemiausia temperatūra, T3,+04, T3, -06, ir T3, -07 yra Tmaks.

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta akumuliatoriaus ir kiekvieno modulio vidutinės temperatūros, maksimalios temperatūros, minimalios temperatūros ir temperatūrų skirtumo laiko istorija. EC1 ir EC2 baterijų bloko temperatūra yra atitinkamai 1,6 laipsnio C ir 1,2 laipsnio C. Viso iškrovimo ciklo metu (ED1 ir LD2 derinys) Trise yra maždaug 5,8 laipsnio C. Didžiausias ∆ T yra 2.{11}} laipsnis C ir 3,2 laipsnio C atitinkamai EC1 ir EC2 pabaigoje. mažiausias ∆ T yra 1,3 laipsnio C ir 2,2 laipsnio C pirmojo ir antrojo pilno įkrovimo ciklų pabaigoje, atitinkamai T gali būti padalintas į skirtumas tarp Tmax ir Tavg, taip pat skirtumas tarp Tavg ir Tmin. Skirtumas tarp Tavg ir Tmin kinta tiesiškai, kai stipriai pasikeičia srovė, o skirtumas tarp Tmax ir Tavg yra jautrus srovei ir netiesinis.

4. Diskusija

Baterijos tyrimas:Tame pačiame ličio jonų akumuliatoriuje teigiamo gnybto temperatūra yra aukštesnė nei neigiamo, maksimalus temperatūrų skirtumas yra apie 0,6 laipsnio C. Šis reiškinys buvo paminėtas ir literatūroje. Be to, dviejų ciklų pabaigoje Tmin pasirodo T1, +12 ir T1, -01 1 modulyje, T2, -12 ir T2,+01 modulyje 2, o T3, -01 ir T3,+12 3 modulyje. Tai rodo, kad ant išorinės akumuliatoriaus baterijos rodomas Tmin dėl geresnio konvekcinio šilumos perdavimo ir vėsinimo poveikis modulio ribiniam paviršiui, palyginti su aplinkos temperatūra. Kiekvieno modulio Tmax rodomas vidurinėje baterijoje, tačiau tai nėra simetriška, o tai rodo kiekvienos baterijos dinaminį elgesį ir temperatūros netolygumą. Šis reiškinys iliustruoja šios dinaminės sistemos sudėtingumą ir pabrėžia, kad svarbu įvertinti visų akumuliatoriaus modulių temperatūros elgseną.

Modulio tyrimas:1 modulio Tavg yra didesnis nei baterijų paketo pirmoje LD, EC, ED ir LC pusėje, tai rodo, kad 1 modulis yra jautresnis didelėms srovėms nei kiti moduliai, generuoja daugiau šilumos, greičiau pakyla temperatūra, ir geriau nei kiti moduliai keičia šilumą. Tai rodo akumuliatoriaus sistemos sudėtingumą, o kiekvieno modulio šiluminis elgesys turi būti ištirtas ir tikrinamas atskirai.

Akumuliatoriaus tyrimas:Ličio jonų akumuliatoriuose, moduliuose ir baterijų paketuose ED, LD ir EC temperatūra visada pakyla. Todėl Tmax pasirodo ne tik LC1 ir LC2 viduryje, bet ir EC1 bei EC2 pabaigoje. Kitaip tariant, kai yra didelė srovė, temperatūra pakils, nes daugiau ličio jonų turėtų judėti per membraną ir generuoti daugiau šilumos. Todėl LC pradžioje temperatūra nukris, o po to bus stebimas beveik pastovus temperatūros elgesys.

Viso iškrovimo ciklo metu tarp dviejų įkrovimo ciklų temperatūra monotoniškai didėja; Apskritai Trise padidėjo 5,8 laipsnio C nuo pradinės vertės 31,8 laipsnio C. Be to, ∆ T taip pat rodė tą pačią didėjimo tendenciją nuo 1,3 C iki 2,7 C. Taip yra dėl didelės srovės, pagrįstos (2) lygtimi. per šį laikotarpį, taip pat 1 modulio jautrumą srovei. Be to, Trise modeliai per du įkrovimo ciklus parodė panašias tendencijas. Pradžioje pakyla, paskui krenta ir galiausiai palaiko beveik pastovią temperatūrą. Todėl, kai į akumuliatorių įvedama didesnė srovė, bus pasiektas didesnis Trise ir ∆ T.

∆ T galima suskirstyti į skirtumą tarp Tmax ir Tavg, taip pat skirtumą tarp Tavg ir Tmin. Tmax yra labai jautrus temperatūros gradientams ir kinta laikui bėgant, o Tmin yra mažiau jautrus srovės pokyčiams. Todėl svarbiausia akumuliatoriaus temperatūros pokyčio dalis yra dėl Tmax elgsenos. Kitaip tariant, skirtumas tarp Tavg ir Tmin kinta tiesiškai, kai yra didelis srovės skirtumas ir keičiasi nuolydis. Skirtumas tarp Tmax ir Tavg yra labai jautrus srovei, o nuolydis laikui bėgant didės. Todėl pagal antrąjį scenarijų, išskyrus reikšmingus didelių srovių skirtumų pokyčius, ∆ T nerodo linijinio elgesio tiek nuolatinėse, tiek dinaminėse srovėse. Būsimas darbas turėtų būti sutelktas į efektyvių aušinimo sistemų kūrimą ir įvairių šilumos valdymo strategijų tyrimą, siekiant pagerinti ličio jonų baterijų našumą ir saugą, remiantis šio tyrimo rezultatais.

5. Santrauka

Šiame straipsnyje nagrinėjamas 48 V ličio jonų baterijų blokų šiluminis elgesys veikiant dinaminei srovei, o tai labai svarbu norint suprasti saugų ir patikimą ličio jonų baterijų blokų veikimą, ypač tais atvejais, kai reikia didelės galios ir energijos tankio.

Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad baterijų bloko temperatūros elgsena yra sudėtinga ir netiesinė, skiriasi skirtingos baterijos, moduliai ir visa baterija. Dėl geresnio konvekcinio šilumos perdavimo akumuliatoriaus išorinė temperatūra yra žemesnė nei vidinio akumuliatoriaus, o vieno akumuliatoriaus teigiama gnybtų temperatūra yra aukštesnė už neigiamą. Modulis yra jautresnis didelėms srovėms, todėl greitesnis temperatūros kilimas ir šilumos generavimas, o tai galima gauti tik ištyrus visus modulius tame pačiame ličio jonų akumuliatoriaus pakete.

Baterijos bloko temperatūros elgsenai daugiausia įtakos turi Tmax, kuris yra jautresnis srovei. Trise daugiausia atsiranda dėl didelės srovės ir šilumos, atsirandančios dėl ličio jonų judėjimo per separatorių. Skirtumas tarp Tmin ir Tavg kinta tiesiškai esant pastoviai srovei, o skirtumas tarp Tmax ir Tavg kinta netiesiškai dėl srovės pokyčių, ypač esant dideliems srovės skirtumams.

Apskritai tyrimo išvados rodo, kad svarbu atskirai ištirti ir įvertinti kiekvienos baterijos, modulio ir viso baterijos bloko šiluminį elgesį, kad būtų galima suprasti ličio jonų baterijų blokų sudėtingumą ir netiesinį elgesį veikiant dinaminėms srovėms. Šio tyrimo rezultatai padės ateityje sukurti efektyvesnes ir patikimesnes akumuliatorių šilumos valdymo sistemas, skirtas ličio jonų akumuliatorių paketams automobilių pramonėje. Nustatant akumuliatoriaus šiluminio valdymo strategijas ir parametrus, būtina atsižvelgti į modulio Tavg skirtumus, Tavg priklausomybę nuo Tmax ir akumuliatoriaus vietos įtaką jo temperatūros pokyčiams.