Otkrivanje tehnologije diferencijalnog napona: Kako efikasno predvidjeti promjene temperature unutar litijum-jonskih baterija

Abstract

Performanse litijum-jonskih baterija u velikoj meri zavise od radne temperature baterije. Međutim, podaci o temperaturi koji se obično dobijaju se mere termoelementima pričvršćenim na površinu baterije, koji možda neće tačno odražavati stvarnu temperaturu unutar baterije, posebno pri niskim temperaturama okoline i visokim brzinama pražnjenja. Ovaj članak će predstaviti inovativnu metodu koja koristi tehnologiju diferencijalnog napona za predviđanje unutrašnje temperature litijum-jonske baterije od 40 Ah. Razlika između mjerenja unutrašnje i vanjske temperature ovisi o brzini pražnjenja i temperaturi okoline. Tokom kontinuiranog procesa pražnjenja, razlika između površinske i izmjerene temperature raste u ranoj fazi pražnjenja, dostiže svoj vrhunac u srednjoj fazi, a zatim se smanjuje u kasnoj fazi pražnjenja. Rezultati ove studije mogu aktivno podržati strategije upravljanja u sistemima upravljanja baterijama (BMS).

1. Uvod

Sa sve većom pažnjom na pitanja životne sredine i posvećenošću vlada smanjenju emisija, električna vozila (EV) se sve više vrednuju kao potencijalno rešenje. Jedan od ključnih faktora za njihov uspjeh je korišteni sistem za skladištenje energije (ESS). Idealan ESS bi trebao imati visoku gustinu energije i snage, odličan životni vijek i pokazati pouzdanost u različitim radnim uvjetima kao što su ciklusi vožnje, temperatura itd. U tehnologiji komercijalnih baterija, litijum-jonske baterije postale su poželjan izbor za čisto električna vozila (BEV). ) zbog njihove najveće zapremine i težine gustine energije/snage.

BEV bazirani na litijum-jonskim baterijama značajno će smanjiti njihov domet i performanse snage pod niskim temperaturama i visokim C-stopom. Razlozi za smanjenje performansi uključuju smanjenu provodljivost elektrolita, smanjenu difuziju litijuma u čvrstom stanju, visoku polarizaciju grafitnih anoda i sporu kinetiku prijenosa naboja. U istraživanju litijum-jonskih baterija od 2,2 Ah 18650, elektrohemijske performanse baterije snažno zavise od njene radne temperature. Međutim, radna temperatura baterija se obično mjeri termoparovima pričvršćenim na površinu baterije, što možda neće točno odražavati elektrohemijske procese unutar baterije. Mjerenje diferencijalnog napona (DV) se koristi za zaključivanje stehiometrijskog poravnanja elektroda u ili blizu ravnoteže kako bi se otkrio pad kapaciteta. Da bi se izbjegao fenomen prijenosa naboja, treba izbjegavati veliku struju. DV predstavlja varijaciju napona po jedinici kapaciteta pražnjenja (dV/dQ), što odražava kumulativni uticaj radnih uslova (temperatura okoline, C-stop, SOC, impedansa i samozagrevanje) na bateriju.

Cilj ovog članka je korištenje DV tehnologije za predviđanje "efikasne otpornosti" baterija pod različitim kontinuiranim strujama pražnjenja na temperaturama okoline u rasponu od -20 do 25 stepeni C, a zatim predviđanje njihove unutrašnje temperature. Odstupanje između unutrašnje i izmjerene temperature površine baterije direktno je povezano sa strujom pražnjenja i smanjuje se sa smanjenjem temperature okoline. Ova predviđanja mogu pomoći da se poboljša tačnost procjene temperature baterije i poboljšaju strategije kontrole unutar sistema upravljanja baterijom (BMS).

2. Metode istraživanja

A. Eksperimentalni detalji

Kako bi se istražilo ponašanje baterije, testirana je litijum-jonska meka baterija težine 0,97 kilograma sa NMC pozitivnom elektrodom. Baterija ima nominalni napon od 3,7 volti i kapacitet od 40 amper sata. Termopar tipa K je instaliran u geometrijskom centru glavne površine meke baterije. Baterija se postavlja u Votsch vruću ćeliju i podvrgava ciklusima punjenja i pražnjenja pomoću Bitrode baterije. Test je sproveden na četiri različite temperature okoline: -20 stepen C, -10 stepen C, 0 stepen C i 25 stepeni C. Punjenje se vrši samo na 25 stepeni C, punjenje brzinom od 0,5C (20 ampera) dok napon ne dostigne 4,2 volta. Struja punjenja tada pada na 0.05C uz održavanje napona od 4,2 volta. Korišćene struje pražnjenja uključuju 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C i 8C. Direktno mjereni parametri uključuju napon baterije (V), kapacitet (Ah), snagu (W), energiju pražnjenja (Wh) i temperaturu površine baterije (izmjerenu) (stepen C). Isključni napon ove baterije je 2,7 volti.

B. Da bismo izračunali "unutarnju temperaturu" iz mjernih parametara korištenjem tehnologije diferencijalnog napona, poduzeli smo sljedeće korake za predviđanje unutrašnje temperature (vidi sliku 1):

1. Proračun promjene napona:Izračunajte promjenu napona (∆ V) u svakom vremenskom koraku.

2. Proračun efektivnog otpora:"Efektivni otpor" R je linearna funkcija DV, dobijena dijeljenjem ∆ V sa strujom pražnjenja.

Slika 1. Jednostavan model proizvodnje topline

3. Proračun proizvodnje topline:Izračunajte generiranu toplinu u svakom vremenskom koraku Qgen=∆ V ²/R.

4. Proračun provodljivosti topline:Proračun toplotne provodljivosti od jezgre baterije do površine je Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), gdje je k planarna toplotna provodljivost baterije, A je površina, i L je rastojanje između jezgre baterije i površine.

5. Proračun konvektivnog prijenosa topline:Proračun konvektivnog prijenosa topline na površini baterije je Qconv=(h × A × (T-Tamb)), gdje je h koeficijent konvektivnog prijenosa topline, a Tamb temperatura okoline.

6. Proračun promjene temperature:Izračunajte promjenu temperature ∆ T svake sekunde kao (QGen Qcond QConv)/(m × C). Ovdje je t vremenski korak (u sekundama), m je 0.97 kilograma, a C je toplinski kapacitet. Uz pretpostavku da je Qbond nula u t=0 sekundi, tada koristite Qbond iz prethodnog vremenskog koraka.

7. Proračun unutrašnje temperature:Izračunajte unutrašnju temperaturu integracijom ∆ T u svakom vremenskom koraku.

Ova metoda pruža novi pristup za precizno predviđanje unutrašnje temperature baterija sveobuhvatnim razmatranjem njihovih elektrohemijskih performansi i termičkih karakteristika, što je od velikog značaja za optimizaciju sistema upravljanja baterijama (BMS) i poboljšanje performansi baterija.

Tabela 1. Parametri baterija litijum-jonskih baterija

3. Rezultati i diskusija

A. Utjecaj C-stope i temperature okoline na kapacitet pražnjenja i energiju pražnjenja

Eksperimentalni rezultati pokazuju da energija koju oslobađa baterija opada sa povećanjem C-stope i smanjenjem temperature okoline. To je zato što povećanje impedanse baterije dovodi do bržeg smanjenja napona baterije, uključujući smanjenje ionske provodljivosti, povećanje otpora elektrolita, veću anodnu polarizaciju, sporiji prijenos naboja i nedovoljnu difuziju litij u čvrstoj fazi.

Slika 2. Evolucija napona sa energijom pražnjenja pri različitim temperaturama okoline i c stopama

Prilikom pražnjenja na 5C na -10 stepeni C, napon će rasti tokom značajnog vremenskog perioda tokom ciklusa pražnjenja. To je zato što samozagrijavanje uzrokuje povećanje temperature baterije, što rezultira smanjenjem otpora elektrolita zbog povećanja provodljivosti jona i brzine difuzije soli, čime je energija pražnjenja veća nego tijekom izotermnog pražnjenja. Na -10 stepenu C, kapacitet pražnjenja od 5C je 3,6% veći od 1C, ali je energija pražnjenja 2,9% niža; Na 0 stepenu C, kapacitet pražnjenja od 5C je 1% veći od 1C, a energija pražnjenja je 5,3% niža, što ukazuje da se koristi od kapaciteta koje donosi samozagrevanje mogu precijeniti, a veći dio povećanog kapaciteta je koristi se za grijanje baterija.

Slika 3. Evolucija napona baterija sa kapacitetom pražnjenja pri različitim temperaturama okoline i c stopama

B. Utjecaj C-stope i temperature okoline na predviđanje unutrašnje temperature korištenjem diferencijalnog napona

Slika 4. Efektivni otpor i energija pražnjenja pri različitim temperaturama okoline i C stopama

Efektivni otpor općenito raste sa smanjenjem temperature okoline i povećanjem C-stope, što znači da se u nekom trenutku ciklusa pražnjenja napon značajno mijenja s oslobađanjem energije. Na nižim temperaturama okoline, posebno pri visokim C-stopama, efektivni otpor je veći zbog niske provodljivosti jona, sporog prijenosa naboja, visoke otpornosti elektrolita i spore difuzije u čvrstom stanju. Ovo je u skladu s prethodnim studijama koje pokazuju da DC otpor raste sa smanjenjem temperature okoline i povećanjem C-stopa, a efektivni otpor raste na kraju pražnjenja. Iako je stepen samozagrijavanja pražnjenja od 5C visok na -10 stepeni C, njegova efektivna otpornost je i dalje najveća, vjerovatno zbog kratkog vremena pražnjenja.

Slika 5. Poređenje unutrašnje (I) i izmjerene (M) temperature pri različitim C stopama pri temperaturi okoline od 25 stepeni

Slika 6. Poređenje unutrašnje (I) i izmjerene (M) temperature pri različitim C stopama pri temperaturi okoline od 0 stepeni

Tokom pražnjenja, i izmjerena temperatura i unutrašnja temperatura se povećavaju, s većim porastom temperature i većim povećanjem unutrašnje temperature pri visokoj C-stopi i niskoj temperaturi okoline. U skladu s drugim studijama, maksimalna razlika između unutrašnje i izmjerene temperature tokom ciklusa pražnjenja (∆ T) je proporcionalna odgovarajućoj C-stopi, a razlika se povećava kako se temperatura okoline smanjuje. ∆ T pod različitim radnim uslovima u ovom članku je nešto veći od studije koja istražuje samo gradijente površinske temperature, ali je konzistentnija sa studijom koja uspoređuje unutrašnju i površinsku temperaturu, što ukazuje da procijenjena unutrašnja temperatura u ovom članku predstavlja prosječnu ukupnu temperaturu temperatura baterije, a izmjerena temperatura dolazi iz očitavanja površinskog senzora/termoparova. Razlika između unutrašnje temperature baterije i izmjerene temperature općenito se povećava s pražnjenjem, dostiže vrhunac usred pražnjenja, a zatim opada. Veličina razlike se povećava sa povećanjem C-stope i temperature okoline.

Slika 7. Poređenje unutrašnjih (I) i izmjerenih (M) temperatura pri različitim C stopama pri temperaturi okoline od 25 stepeni.

Slika 8. Evolucija unutrašnje temperature i izmjerene temperaturne razlike baterije svakih 30 Wh pražnjenja

4. Sažetak

Na nižim temperaturama okoline, koristi od samozagrijavanja mogu biti precijenjene i možda neće dovesti do povećanja raspoložive energije za bateriju.

Ograničenja efekta samozagrevanja:U okruženjima s niskom temperaturom, iako efekat samozagrijavanja baterija može povećati kapacitet pražnjenja, to ne znači uvijek da će se energija koju oslobađa baterija povećati. To je zato što se povećani kapacitet uglavnom može koristiti za zagrijavanje baterije, a ne za obavljanje posla ili obezbjeđivanje više električne energije.

Efektivni otpor baterije je veći pri većim strujama pražnjenja i nižim temperaturama okoline.

Odnos između efektivnog otpora i radnih uslova:Efektivni otpor je važan parametar baterije u specifičnim uslovima rada, koji raste sa povećanjem struje pražnjenja i smanjenjem temperature okoline. Ovo ukazuje na to da su provođenje jona i prijenos punjenja unutar baterije više otežani pod visokim strujnim pražnjenjem i uvjetima niske temperature.

Razlika između unutrašnje temperature baterije i izmjerene površinske temperature baterije raste sa povećanjem struje pražnjenja i smanjenjem temperature okoline.

Odnos između temperaturne razlike i radnih uslova:Razlika između unutrašnje i površinske temperature (∆ T) je direktno povezana sa strujom pražnjenja i temperaturom okoline. To znači da u okruženjima sa visokom strujom pražnjenja i niskim temperaturama, temperatura unutar baterije može biti mnogo viša od temperature površine, što je ključno za upravljanje toplinom i optimizaciju performansi baterije.

Tokom ciklusa pražnjenja, razlika između unutrašnje temperature baterije i izmjerene površinske temperature baterije raste u ranim fazama pražnjenja, dostiže svoj vrhunac u srednjim fazama, a zatim se smanjuje u kasnijim fazama pražnjenja.

Dinamičke promjene temperaturnih razlika:Trend temperaturnih razlika između unutrašnje i površine baterije tokom pražnjenja odražava složenost unutrašnje termičke dinamike baterije. Ova razlika se povećava u ranim fazama pražnjenja, vjerovatno zbog brzog povećanja topline koja se stvara iznutra kada se baterija počne prazniti. Vrhunac tokom srednjeg pražnjenja može biti posljedica najviše unutrašnje temperature baterije, dok opadanje prema kraju pražnjenja može biti uzrokovano smanjenjem topline koja se stvara unutar baterije i početkom hlađenja.

Ova zapažanja su ključna za dizajn i optimizaciju sistema za upravljanje baterijama (BMS), jer pružaju vrijedne informacije o ponašanju baterija u različitim radnim uvjetima. Razumevanjem i predviđanjem ovih pojava moguće je efikasnije upravljati temperaturom baterije, čime se poboljšavaju njene performanse i životni vek.