Abstrakt
Ydeevnen af lithium-ion-batterier afhænger i høj grad af batteriets driftstemperatur. De temperaturdata, der normalt opnås, måles dog af termoelementer fastgjort til batteriets overflade, som muligvis ikke nøjagtigt afspejler den faktiske temperatur inde i batteriet, især ved lave omgivende temperaturer og høje afladningshastigheder. Denne artikel vil introducere en innovativ metode, der bruger differentiel spændingsteknologi til at forudsige den interne temperatur af et 40Ah lithium-ion soft pack-batteri. Forskellen mellem interne og eksterne temperaturmålinger afhænger af udledningshastigheden og den omgivende temperatur. Under den kontinuerlige udledningsproces stiger forskellen mellem overfladen og den målte temperatur i det tidlige udledningsstadium, når sit højdepunkt i midterstadiet og falder derefter i det sene udledningsstadium. Resultaterne af denne undersøgelse kan aktivt understøtte kontrolstrategier i batteristyringssystemer (BMS).
1. Introduktion
Med den stigende opmærksomhed på miljøspørgsmål og regeringernes forpligtelse til at reducere emissioner, bliver elektriske køretøjer (EV'er) i stigende grad værdsat som en potentiel løsning. En af nøglefaktorerne for deres succes er det anvendte energilagringssystem (ESS). Den ideelle ESS bør have høj energi- og effekttæthed, fremragende levetid og demonstrere pålidelighed under forskellige driftsforhold såsom kørecyklusser, temperatur osv. I kommerciel batteriteknologi er lithium-ion-batterier blevet det foretrukne valg til rene elektriske køretøjer (BEV'er) ) på grund af deres højeste volumen og vægt energi/effekttæthed.
BEV'er baseret på lithium-ion-batterier vil betydeligt reducere deres rækkevidde og ydeevne under lave temperaturer og høje C-rate forhold. Årsagerne til ydeevneforringelse omfatter nedsat elektrolytledningsevne, nedsat solid-state lithiumdiffusion, høj polarisering af grafitanoder og langsom ladningsoverførselskinetik. I undersøgelsen af 2,2 Ah 18650 lithium-ion-batterier afhænger batteriets elektrokemiske ydeevne stærkt af dets driftstemperatur. Batteriernes driftstemperatur måles dog normalt af termoelementer, der er fastgjort til batteriets overflade, som muligvis ikke nøjagtigt afspejler de elektrokemiske processer inde i batteriet. Differentialspændingsmåling (DV) bruges til at udlede den støkiometriske justering af elektroder ved eller nær ligevægt for at detektere kapacitetsfald. For at undgå ladningsoverførselsfænomener bør høj strøm undgås. DV repræsenterer spændingsvariationen pr. enhed afladningskapacitet (dV/dQ), som afspejler den kumulative indvirkning af driftsforhold (omgivelsestemperatur, C-rate, SOC, impedans og selvopvarmning) på batteriet.
Målet med denne artikel er at bruge DV-teknologi til at forudsige batteriernes "effektive modstand" under forskellige kontinuerlige afladningsstrømme ved omgivende temperaturer fra -20 til 25 grader C, og derefter forudsige deres interne temperatur. Afvigelsen mellem de interne og målte batterioverfladetemperaturer er direkte relateret til afladningsstrømmen og falder med faldet i den omgivende temperatur. Disse forudsigelser kan hjælpe med at forbedre nøjagtigheden af batteritemperaturestimering og forbedre kontrolstrategier inden for batteristyringssystemer (BMS).
2. Forskningsmetoder
A. Eksperimentelle detaljer
For at undersøge batteriets adfærd blev der testet et lithium-ion soft pack-batteri, der vejede 0.97 kilogram med en NMC-positiv elektrode. Batteriet har en nominel spænding på 3,7 volt og en kapacitet på 40 amperetimer. Et termoelement af K-typen er installeret i det geometriske centrum af hovedoverfladen af softpack-batteriet. Batteriet anbringes i Votsch-varmecellen og udsættes for opladnings- og afladningscyklusser ved hjælp af en Bitrode-battericykler. Testen blev udført ved fire forskellige omgivende temperaturer: -20 grader C, -10 grader C, 0 grader C og 25 grader C. Opladning udføres kun ved 25 grader C, opladning med en hastighed på 0,5C (20 ampere), indtil spændingen når 4,2 volt. Ladestrømmen falder derefter til 0.05C, mens en spænding på 4,2 volt opretholdes. De anvendte afladningsstrømme omfatter 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C og 8C. De direkte målte parametre inkluderer batterispænding (V), kapacitet (Ah), effekt (W), afladningsenergi (Wh) og batterioverflade (målt) temperatur (grad C). Afskæringsspændingen for dette batteri er 2,7 volt.
B. For at beregne den "interne temperatur" ud fra måleparametre ved hjælp af differentialspændingsteknologi, har vi taget følgende trin til intern temperaturforudsigelse (se figur 1):
1. Spændingsændringsberegning:Beregn spændingsændringen (∆ V) ved hvert tidstrin.
2. Effektiv modstandsberegning:"Effektiv modstand" R er en lineær funktion af DV, opnået ved at dividere ∆ V med udladningsstrømmen.
Figur 1. Enkel varmegenereringsmodel
3. Beregning af varmeudvikling:Beregn den genererede varme ved hvert tidstrin Qgen=∆ V ²/R.
4. Varmeledningsberegning:Varmeledningsberegningen fra batterikernen til overfladen er Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), hvor k er batteriets plane varmeledningsevne, A er overfladearealet, og L er afstanden mellem batterikernen og overfladen.
5. Beregning af konvektiv varmeoverførsel:Beregningen af konvektiv varmeoverførsel på batteriets overflade er Qconv=(h × A × (T-Tamb)), hvor h er den konvektive varmeoverførselskoefficient, og Tamb er den omgivende temperatur.
6. Temperaturændringsberegning:Beregn temperaturændringen ∆ T hvert sekund som (QGen Qcond QConv)/(m × C). Her er t tidstrinnet (i sekunder), m er 0,97 kilogram, og C er varmekapaciteten. Forudsat at Qbond er nul ved t=0 sekunder, så brug Qbond fra det forrige tidstrin.
7. Intern temperaturberegning:Beregn den indre temperatur ved at integrere ∆ T i hvert tidstrin.
Denne metode giver en ny tilgang til nøjagtigt at forudsige batteriernes interne temperatur ved omfattende at overveje deres elektrokemiske ydeevne og termiske egenskaber, hvilket er af stor betydning for optimering af batteristyringssystemer (BMS) og forbedring af batteriets ydeevne.
Tabel 1. Batteriparametre for lithium-ion-posebatterier
| Parameter | Værdi |
| Termisk ledningsevne, k | 0.48 W/m/grad |
| Overfladeareal, A | 0.10125 m² |
| Celletykkelse, L | 0.0009 m |
| Varmekapacitet, C | 1243 J/grad/kg |
| Konvektiv koefficient, h | 10W/m²/grad |
3. Resultater og diskussion
A. Indflydelsen af C-hastighed og omgivelsestemperatur på afladningskapacitet og afladningsenergi
De eksperimentelle resultater viser, at den energi, der frigives af batteriet, falder med stigningen i C-hastigheden og faldet i omgivelsestemperaturen. Dette skyldes, at stigningen i batteriimpedans fører til et hurtigere fald i batterispænding, herunder et fald i ionledningsevne, en stigning i elektrolytmodstand, højere anodisk polarisering, langsommere ladningsoverførsel og utilstrækkelig lithium-fastfasediffusion.
Figur 2. Spændingsudvikling med udladningsenergi ved forskellige miljøtemperaturer og c-hastigheder
Ved afladning ved 5C ved -10 grader C, vil spændingen stige i et betydeligt tidsrum under afladningscyklussen. Dette skyldes, at selvopvarmning får batteritemperaturen til at stige, hvilket resulterer i et fald i elektrolytmodstanden på grund af en stigning i ionledningsevne og saltdiffusionshastighed, hvorved udladningsenergien bliver højere end under isotermisk afladning. Ved -10 grad C er afladningskapaciteten på 5C 3,6 % højere end 1C, men afladningsenergien er 2,9 % lavere; Ved 0 grad C er afladningskapaciteten på 5C 1 % højere end 1C, og afladningsenergien er 5,3 % lavere, hvilket indikerer, at kapacitetsfordelene ved selvopvarmning kan være overvurderet, og det meste af den øgede kapacitet er bruges til batteriopvarmning.
Figur 3. Spændingsudvikling af batterier med afladningskapacitet ved forskellige omgivende temperaturer og c-hastigheder
B. Indflydelsen af C-rate og omgivelsestemperatur på forudsigelse af indre temperatur ved hjælp af differentialspænding
Figur 4. Effektiv modstand og afladningsenergi ved forskellige miljøtemperaturer og C-hastigheder
Den effektive modstand stiger generelt med faldende omgivelsestemperatur og stigende C-rate, hvilket betyder, at spændingen på et tidspunkt i afladningscyklussen ændrer sig mere markant med frigivelsen af energi. Ved lavere omgivelsestemperaturer, især ved høje C-hastigheder, er den effektive modstand højere på grund af lav ionledningsevne, langsom ladningsoverførsel, høj elektrolytmodstand og langsom faststofdiffusion. Dette er i overensstemmelse med tidligere undersøgelser, der viser, at DC-modstanden stiger med faldende omgivelsestemperatur og stigende C-hastigheder, og den effektive modstand stiger ved slutningen af afladningen. Selvom selvopvarmningsgraden for 5C afladning er høj ved -10 grader C, er dens effektive modstand stadig den højeste, muligvis på grund af den korte afladningstid.
Figur 5. Sammenligning af interne (I) og målte (M) temperaturer ved forskellige C-hastigheder ved en omgivende temperatur på 25 grader
Figur 6. Sammenligning af interne (I) og målte (M) temperaturer ved forskellige C-hastigheder ved 0 graders omgivelsestemperatur
Under afladning stiger både den målte temperatur og indre temperatur, med højere temperaturstigning og større stigning i indre temperatur ved høj C-rate og lav omgivelsestemperatur. I overensstemmelse med andre undersøgelser er den maksimale forskel mellem interne og målte temperaturer under udledningscyklussen (∆ T) proportional med den tilsvarende C-rate, og forskellen stiger, når den omgivende temperatur falder. ∆ T under forskellige driftsforhold i denne artikel er lidt højere end undersøgelsen, der kun undersøger overfladetemperaturgradienter, men er mere i overensstemmelse med undersøgelsen, der sammenligner indre og overfladetemperaturer, hvilket indikerer, at den estimerede indre temperatur i denne artikel repræsenterer den samlede gennemsnitlige temperaturen på batteriet, og den målte temperatur kommer fra overfladesensor/termoelement-aflæsninger. Forskellen mellem batteriets indre temperatur og den målte temperatur stiger generelt med afladning, når et højdepunkt midt i afladningen og falder derefter. Størrelsen af forskellen stiger med stigningen i C-hastigheden og den omgivende temperatur.
Figur 7. Sammenligning af interne (I) og målte (M) temperaturer ved forskellige C-hastigheder ved en omgivende temperatur på 25 grader.
Figur 8. Udvikling af intern temperatur og målt batteritemperaturforskel for hver 30 Wh afladning
4. Resumé
Ved lavere omgivelsestemperaturer kan kapacitetsfordelene ved selvopvarmning blive overvurderet og oversættes muligvis ikke til en stigning i tilgængelig energi til batteriet.
Begrænsninger af selvopvarmningseffekt:I miljøer med lav temperatur, selvom batteriernes selvopvarmende effekt kan øge afladningskapaciteten, betyder det ikke altid, at den energi, der frigives af batteriet, vil stige. Dette skyldes, at den øgede kapacitet primært kan bruges til at opvarme batteriet i stedet for til at udføre arbejde eller levere mere elektrisk energi.
Et batteris effektive modstand er større ved højere afladningsstrømme og lavere omgivende temperaturer.
Forholdet mellem effektiv modstand og driftsbetingelser:Effektiv modstand er en vigtig parameter for et batteri under specifikke driftsforhold, som stiger med stigningen i afladningsstrømmen og faldet i omgivelsestemperaturen. Dette indikerer, at ionledning og ladningsoverførsel inde i batteriet er mere hæmmet under høje strømafladninger og lave temperaturforhold.
Forskellen mellem batteriets indre temperatur og batteriets målte overfladetemperatur stiger med stigningen i afladningsstrømmen og faldet i den omgivende temperatur.
Forholdet mellem temperaturforskel og driftsbetingelser:Forskellen mellem indre temperatur og overfladetemperatur (∆ T) er direkte relateret til afladningsstrøm og omgivelsestemperatur. Det betyder, at i miljøer med høj strømafladning og lave temperaturer kan temperaturen inde i batteriet være meget højere end overfladetemperaturen, hvilket er afgørende for termisk styring og ydeevneoptimering af batteriet.
Under afladningscyklussen stiger forskellen mellem batteriets indre temperatur og batteriets målte overfladetemperatur i de tidlige afladningsstadier, når sit højdepunkt i de midterste faser og falder derefter i de sene afladningsstadier.
Dynamiske ændringer i temperaturforskelle:Tendensen med temperaturforskelle mellem batteriets indre og overflade under afladning afspejler kompleksiteten af batteriets indre termiske dynamik. Denne forskel øges i de tidlige stadier af afladning, muligvis på grund af den hurtige stigning i varme, der genereres internt, når batteriet begynder at aflade. Peak under midten af afladningen kan skyldes den højeste interne temperatur i batteriet, mens faldende mod slutningen af afladningen kan skyldes et fald i varme genereret i batteriet og begyndende afkøling.
Disse observationer er afgørende for design og optimering af batteristyringssystemer (BMS), da de giver værdifuld information om batteriernes adfærd under forskellige driftsforhold. Ved at forstå og forudsige disse fænomener er det muligt at styre batteriets temperatur mere effektivt og derved forbedre dets ydeevne og levetid.