Mendedahkan Teknologi Voltan Berbeza: Cara Cekap Meramalkan Perubahan Suhu Di Dalam Bateri Litium-ion

Abstrak

Prestasi bateri litium-ion sebahagian besarnya bergantung pada suhu operasi bateri. Walau bagaimanapun, data suhu yang biasanya diperolehi diukur dengan termokopel yang dilekatkan pada permukaan bateri, yang mungkin tidak menggambarkan suhu sebenar di dalam bateri dengan tepat, terutamanya dalam suhu ambien yang rendah dan kadar nyahcas yang tinggi. Artikel ini akan memperkenalkan kaedah inovatif yang menggunakan teknologi voltan pembezaan untuk meramalkan suhu dalaman bateri pek lembut litium-ion 40Ah. Perbezaan antara ukuran suhu dalaman dan luaran bergantung pada kadar nyahcas dan suhu ambien. Semasa proses pelepasan berterusan, perbezaan antara permukaan dan suhu yang diukur meningkat pada peringkat awal pelepasan, mencapai kemuncaknya pada peringkat pertengahan, dan kemudian berkurangan pada peringkat akhir pelepasan. Hasil kajian ini secara aktif boleh menyokong strategi kawalan dalam sistem pengurusan bateri (BMS).

1. Pengenalan

Dengan perhatian yang semakin meningkat terhadap isu alam sekitar dan komitmen kerajaan untuk mengurangkan pelepasan, kenderaan elektrik (EV) semakin dinilai sebagai penyelesaian yang berpotensi. Salah satu faktor utama kejayaan mereka ialah sistem simpanan tenaga (ESS) yang digunakan. ESS yang ideal harus mempunyai ketumpatan tenaga dan kuasa yang tinggi, jangka hayat yang sangat baik, dan menunjukkan kebolehpercayaan di bawah pelbagai keadaan operasi seperti kitaran pemanduan, suhu, dll. Dalam teknologi bateri komersial, bateri litium-ion telah menjadi pilihan pilihan untuk kenderaan elektrik tulen (BEVs). ) kerana isipadu tertinggi dan ketumpatan tenaga/kuasa beratnya.

BEV berdasarkan bateri litium-ion akan mengurangkan julat dan prestasi kuasanya dengan ketara dalam keadaan suhu rendah dan kadar C yang tinggi. Sebab kemerosotan prestasi termasuk penurunan kekonduksian elektrolit, penurunan resapan litium keadaan pepejal, polarisasi tinggi anod grafit, dan kinetik pemindahan cas perlahan. Dalam kajian bateri lithium-ion 2.2 Ah 18650, prestasi elektrokimia bateri sangat bergantung pada suhu operasinya. Walau bagaimanapun, suhu operasi bateri biasanya diukur dengan termokopel yang dipasang pada permukaan bateri, yang mungkin tidak mencerminkan proses elektrokimia di dalam bateri dengan tepat. Pengukuran voltan pembezaan (DV) digunakan untuk membuat kesimpulan penjajaran stoikiometrik elektrod pada atau berhampiran keseimbangan untuk mengesan pereputan kapasiti. Untuk mengelakkan fenomena pemindahan caj, arus tinggi harus dielakkan. DV mewakili variasi voltan per unit kapasiti nyahcas (dV/dQ), yang mencerminkan kesan kumulatif keadaan operasi (suhu ambien, kadar C, SOC, galangan dan pemanasan sendiri) pada bateri.

Matlamat artikel ini adalah untuk menggunakan teknologi DV untuk meramalkan "rintangan berkesan" bateri di bawah arus nyahcas berterusan yang berbeza pada suhu ambien antara -20 hingga 25 darjah C, dan kemudian meramalkan suhu dalamannya. Sisihan antara suhu permukaan bateri dalaman dan diukur secara langsung berkaitan dengan arus nyahcas dan berkurangan dengan penurunan suhu ambien. Ramalan ini boleh membantu meningkatkan ketepatan anggaran suhu bateri dan meningkatkan strategi kawalan dalam sistem pengurusan bateri (BMS).

2. Kaedah penyelidikan

A. Butiran eksperimen

Untuk menyiasat kelakuan bateri, bateri pek lembut litium-ion seberat 0.97 kilogram dengan elektrod positif NMC telah diuji. Bateri mempunyai voltan nominal 3.7 volt dan kapasiti 40 jam ampere. Termokopel jenis K dipasang di pusat geometri permukaan utama bateri pek lembut. Bateri diletakkan di dalam sel panas Votsch dan tertakluk kepada kitaran cas dan nyahcas menggunakan kitaran bateri Bitrode. Ujian telah dijalankan pada empat suhu ambien yang berbeza: -20 darjah C, -10 darjah C, 0 darjah C dan 25 darjah C. Pengecasan hanya dijalankan pada 25 darjah C, pengecasan pada kadar 0.5C (20 amp) sehingga voltan mencapai 4.2 volt. Arus pengecasan kemudiannya menurun kepada 0.05C sambil mengekalkan voltan 4.2 volt. Arus nyahcas yang digunakan termasuk 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, dan 8C. Parameter yang diukur secara langsung termasuk voltan bateri (V), kapasiti (Ah), kuasa (W), tenaga nyahcas (Wh), dan suhu permukaan bateri (diukur) ( darjah C). Voltan pemotongan bateri ini ialah 2.7 volt.

B. Untuk mengira "suhu dalaman" daripada parameter pengukuran menggunakan teknologi voltan pembezaan, kami telah mengambil langkah berikut untuk ramalan suhu dalaman (lihat Rajah 1):

1. Pengiraan perubahan voltan:Kira perubahan voltan (∆ V) pada setiap langkah masa.

2. Pengiraan rintangan berkesan:"Rintangan berkesan" R ialah fungsi linear DV, diperoleh dengan membahagikan ∆ V dengan arus nyahcas.

Rajah 1. Model penjanaan haba mudah

3. Pengiraan penjanaan haba:Kira haba yang dijana pada setiap langkah Qgen=∆ V ²/R.

4. Pengiraan pengaliran haba:Pengiraan pengaliran haba dari teras bateri ke permukaan ialah Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), dengan k ialah kekonduksian haba satah bateri, A ialah luas permukaan, dan L ialah jarak antara teras bateri dan permukaan.

5. Pengiraan pemindahan haba perolakan:Pengiraan pemindahan haba perolakan pada permukaan bateri ialah Qconv=(h × A × (T-Tamb)), dengan h ialah pekali pemindahan haba perolakan dan Tamb ialah suhu ambien.

6. Pengiraan perubahan suhu:Kira perubahan suhu ∆ T setiap saat sebagai (QGen Qcond QConv)/(m × C). Di sini, t ialah langkah masa (dalam saat), m ialah 0.97 kilogram, dan C ialah kapasiti haba. Dengan mengandaikan Qbond adalah sifar pada t=0 saat, kemudian gunakan Qbond daripada langkah masa sebelumnya.

7. Pengiraan suhu dalaman:Kira suhu dalam dengan menyepadukan ∆ T pada setiap langkah masa.

Kaedah ini menyediakan pendekatan baharu untuk meramalkan suhu dalaman bateri secara tepat dengan mempertimbangkan secara menyeluruh prestasi elektrokimia dan ciri termanya, yang sangat penting untuk mengoptimumkan sistem pengurusan bateri (BMS) dan meningkatkan prestasi bateri.

Jadual 1. Parameter bateri bagi bateri kantung litium-ion

3. Keputusan dan Perbincangan

A. Pengaruh kadar C dan suhu persekitaran terhadap kapasiti nyahcas dan tenaga nyahcas

Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa tenaga yang dikeluarkan oleh bateri berkurangan dengan peningkatan kadar C dan penurunan suhu persekitaran. Ini kerana peningkatan impedans bateri membawa kepada penurunan voltan bateri yang lebih cepat, termasuk penurunan kekonduksian ion, peningkatan rintangan elektrolit, polarisasi anodik yang lebih tinggi, pemindahan cas yang lebih perlahan dan penyebaran fasa pepejal litium yang tidak mencukupi.

Rajah 2. Evolusi voltan dengan tenaga nyahcas pada suhu persekitaran dan kadar c yang berbeza

Apabila menyahcas pada 5C pada -10 darjah C, voltan akan meningkat untuk tempoh masa yang agak lama semasa kitaran nyahcas. Ini kerana pemanasan sendiri menyebabkan suhu bateri meningkat, mengakibatkan penurunan rintangan elektrolit akibat peningkatan kekonduksian ion dan kadar resapan garam, dengan itu menjadikan tenaga nyahcas lebih tinggi daripada semasa nyahcas isoterma. Pada -10 darjah C, kapasiti nyahcas 5C ialah 3.6% lebih tinggi daripada 1C, tetapi tenaga nyahcas adalah 2.9% lebih rendah; Pada 0 darjah C, kapasiti nyahcas 5C adalah 1% lebih tinggi daripada 1C, dan tenaga nyahcas adalah 5.3% lebih rendah, menunjukkan bahawa faedah kapasiti yang dibawa oleh pemanasan sendiri mungkin dianggarkan terlalu tinggi, dan kebanyakan kapasiti meningkat adalah digunakan untuk pemanasan bateri.

Rajah 3. Evolusi voltan bateri dengan kapasiti nyahcas pada suhu ambien dan kadar c yang berbeza

B. Pengaruh kadar C dan suhu ambien ke atas meramal suhu dalaman menggunakan voltan pembezaan

Rajah 4. Rintangan berkesan dan tenaga nyahcas pada suhu persekitaran yang berbeza dan kadar C

Rintangan berkesan secara amnya meningkat dengan penurunan suhu ambien dan peningkatan kadar C, yang bermaksud bahawa pada satu ketika dalam kitaran nyahcas, voltan berubah dengan lebih ketara dengan pembebasan tenaga. Pada suhu ambien yang lebih rendah, terutamanya pada kadar C yang tinggi, rintangan berkesan lebih tinggi disebabkan oleh kekonduksian ion yang rendah, pemindahan cas yang perlahan, rintangan elektrolit yang tinggi dan resapan keadaan pepejal yang perlahan. Ini konsisten dengan kajian terdahulu yang menunjukkan bahawa rintangan DC meningkat dengan penurunan suhu ambien dan peningkatan kadar C, dan rintangan berkesan meningkat pada akhir nyahcas. Walaupun darjah pemanasan sendiri bagi nyahcas 5C adalah tinggi pada -10 darjah C, rintangan berkesannya masih paling tinggi, mungkin disebabkan oleh masa nyahcas yang singkat.

Rajah 5. Perbandingan suhu dalaman (I) dan diukur (M) pada kadar C yang berbeza pada suhu ambien 25 darjah

Rajah 6. Perbandingan suhu dalaman (I) dan diukur (M) pada kadar C berbeza pada 0 darjah suhu persekitaran

Semasa nyahcas, kedua-dua suhu yang diukur dan suhu dalaman meningkat, dengan kenaikan suhu yang lebih tinggi dan peningkatan yang lebih besar dalam suhu dalaman pada kadar C tinggi dan suhu ambien yang rendah. Selaras dengan kajian lain, perbezaan maksimum antara suhu dalaman dan suhu yang diukur semasa kitaran nyahcas (∆ T) adalah berkadar dengan kadar C yang sepadan, dan perbezaan itu meningkat apabila suhu ambien berkurangan. ∆ T di bawah keadaan operasi yang berbeza dalam artikel ini adalah lebih tinggi sedikit daripada kajian yang hanya menyiasat kecerunan suhu permukaan, tetapi lebih konsisten dengan kajian yang membandingkan suhu dalaman dan permukaan, menunjukkan bahawa anggaran suhu dalaman dalam artikel ini mewakili purata keseluruhan suhu bateri, dan suhu yang diukur datang daripada bacaan sensor permukaan/termokopel. Perbezaan antara suhu dalaman bateri dan suhu yang diukur biasanya meningkat dengan nyahcas, mencapai kemuncak pada pertengahan nyahcas, dan kemudian berkurangan. Magnitud perbezaan meningkat dengan peningkatan kadar C dan suhu persekitaran.

Rajah 7. Perbandingan suhu dalaman (I) dan diukur (M) pada kadar C yang berbeza pada suhu ambien 25 darjah .

Rajah 8. Evolusi suhu dalaman dan perbezaan suhu bateri diukur setiap nyahcas 30 Wj

4. Rumusan

Pada suhu ambien yang lebih rendah, faedah kapasiti pemanasan sendiri mungkin dianggarkan terlalu tinggi dan mungkin tidak diterjemahkan kepada peningkatan tenaga yang tersedia untuk bateri.

Had kesan pemanasan sendiri:Dalam persekitaran suhu rendah, walaupun kesan pemanasan sendiri bateri boleh meningkatkan kapasiti nyahcas, ia tidak selalu bermakna tenaga yang dikeluarkan oleh bateri akan meningkat. Ini kerana kapasiti yang dipertingkatkan mungkin digunakan terutamanya untuk memanaskan bateri, bukannya untuk melakukan kerja atau menyediakan lebih banyak tenaga elektrik.

Rintangan berkesan bateri adalah lebih besar pada arus nyahcas yang lebih tinggi dan suhu ambien yang lebih rendah.

Hubungan antara rintangan berkesan dan keadaan operasi:Rintangan berkesan ialah parameter penting bateri di bawah keadaan operasi tertentu, yang meningkat dengan peningkatan arus nyahcas dan penurunan suhu ambien. Ini menunjukkan bahawa pengaliran ion dan pemindahan cas di dalam bateri lebih terhalang di bawah nyahcas arus tinggi dan keadaan suhu rendah.

Perbezaan antara suhu dalaman bateri dan suhu permukaan yang diukur bateri meningkat dengan peningkatan arus nyahcas dan penurunan suhu ambien.

Hubungan antara perbezaan suhu dan keadaan operasi:Perbezaan antara suhu dalaman dan permukaan (∆ T) secara langsung berkaitan dengan arus nyahcas dan suhu ambien. Ini bermakna dalam persekitaran nyahcas arus tinggi dan suhu rendah, suhu di dalam bateri mungkin lebih tinggi daripada suhu permukaan, yang penting untuk pengurusan haba dan pengoptimuman prestasi bateri.

Semasa kitaran nyahcas, perbezaan antara suhu dalaman bateri dan suhu permukaan bateri yang diukur meningkat pada peringkat awal nyahcas, mencapai kemuncaknya pada peringkat pertengahan, dan kemudian berkurangan pada peringkat akhir nyahcas.

Perubahan dinamik dalam perbezaan suhu:Trend perbezaan suhu antara dalaman dan permukaan bateri semasa nyahcas mencerminkan kerumitan dinamik haba dalaman bateri. Perbezaan ini meningkat pada peringkat awal nyahcas, mungkin disebabkan oleh peningkatan pesat dalam haba yang dijana secara dalaman apabila bateri mula dinyahcas. Puncak semasa nyahcas pertengahan mungkin disebabkan oleh suhu dalaman tertinggi bateri, manakala penurunan menjelang penghujung nyahcas mungkin disebabkan oleh pengurangan haba yang dijana dalam bateri dan permulaan penyejukan.

Pemerhatian ini adalah penting untuk reka bentuk dan pengoptimuman sistem pengurusan bateri (BMS), kerana ia memberikan maklumat berharga tentang kelakuan bateri di bawah keadaan operasi yang berbeza. Dengan memahami dan meramalkan fenomena ini, adalah mungkin untuk menguruskan suhu bateri dengan lebih berkesan, dengan itu meningkatkan prestasi dan jangka hayat bateri.