Bilanciamento di prestazioni e sicurezza: un'analisi completa delle caratteristiche termiche di carica e scarica della batteria agli ioni di litio da 48 V

Questo articolo utilizza 25 termocoppie per studiare sperimentalmente la distribuzione della temperatura e il comportamento di un pacco batteria agli ioni di litio da 48 V durante due cicli di scarica della carica. I risultati indicano che sulla superficie esterna dell’imballaggio si verifica un migliore trasferimento di calore convettivo, mentre la batteria centrale raggiunge la sua temperatura massima. Sono state osservate differenze anche nel comportamento dei tre moduli. Il ciclo di scarica mostra un aumento della temperatura di 5,8 gradi C e il gradiente di temperatura del pacco batteria aumenta da 1,3 gradi C a 2,7 gradi C. Questo studio sottolinea l'importanza di valutare il comportamento termico di ciascun modulo e la complessità degli ioni di litio sistemi a batteria. Nello stesso studio, le scoperte su batterie, moduli e pacchi batteria possono fornire preziose informazioni per la progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti per pacchi batteria agli ioni di litio.

1. Introduzione

batterie agli ioni di litio:Le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono considerate dispositivi di accumulo di energia idonei per i veicoli ibridi leggeri grazie alla loro elevata densità di energia, potenza specifica, leggerezza, basso tasso di autoscarica, elevata riciclabilità e lunga durata. Negli ultimi 13 anni, il prezzo delle batterie agli ioni di litio è notevolmente diminuito. Tuttavia, l’alta temperatura e la distribuzione non uniforme della temperatura sono i principali problemi delle batterie agli ioni di litio e la temperatura gioca un ruolo importante nel loro ciclo di vita e nella capacità energetica.

Carenze della ricerca precedente:Precedenti studi sul comportamento termico delle batterie agli ioni di litio nei veicoli ibridi leggeri si concentravano principalmente su singole batterie o pacchi batteria, mancando un’analisi dettagliata dell’impatto dei parametri esterni (come la presenza di altre batterie) sul comportamento termico della batteria. Inoltre, l’ambito della ricerca sul comportamento termico dei pacchi batteria agli ioni di litio da 48 V è limitato e mancano studi sperimentali sulla distribuzione dettagliata della temperatura dell’intero pacco batteria.

Lo scopo di questo studio:consiste nell'investigare sperimentalmente il comportamento termico di un pacco batteria agli ioni di litio da 48 V attraverso due cicli completi di carica e scarica. Utilizzando 25 termocoppie per misurare in diverse posizioni all'interno del pacco batteria, speriamo di fornire preziose informazioni sulla generazione di calore del pacco batteria e aiutare a selezionare il sistema di raffreddamento della batteria appropriato.

2. Determinazione sperimentale

Parametri della batteria agli ioni di litio:Le batterie agli ioni di litio sono generalmente composte da un anodo, un catodo, un elettrolita e un collettore di corrente. Le batterie cilindriche, prismatiche e a forma di sacchetto vengono utilizzate nell'industria automobilistica e i design prismatici possono migliorare l'utilizzo dello spazio e la flessibilità. Questo studio ha utilizzato una batteria prismatica agli ioni di litio NCM con una capacità nominale di 8,23 Ah. Il pacco batterie è composto da 36 batterie collegate in una configurazione 12s3p, che presenta i vantaggi di facile installazione, modularità, sicurezza e compattezza, impatto minimo sul peso del veicolo ed elevato rapporto costo-efficacia.

Disposizione sperimentale:Il dispositivo di test sperimentale comprende un pacco batteria, un simulatore di batteria AVL ad alta tensione e corrente controllato dal sistema AVL PUMA, un sensore di temperatura di tipo K con due moduli di acquisizione dati (ES620 ETAS) e un'unità computer per il monitoraggio e la memorizzazione dei dati. Utilizza 25 termocoppie per monitorare la temperatura della batteria, con punti di misurazione situati nei tre moduli del pacco batteria. Le termocoppie aiutano a rilevare le variazioni di temperatura tra i terminali positivo e negativo della stessa batteria.

Cicli di carica e scarica:Sono stati condotti due test completi del ciclo di carica e scarica con temperature iniziali e stati di carica (SoC) rispettivamente di 26 gradi C e 47%. Le correnti massima e minima erano rispettivamente 237 A e -237 A. Il SoC ha raggiunto il doppio dei valori massimo e minimo, ovvero 91% e 10%, e il test è terminato quando il SoC ha raggiunto il valore iniziale. Per evitare guasti termici del pacco batteria ad alte temperature, il test è stato interrotto quando la temperatura ha raggiunto i 40 gradi C. In questo studio, il limite di temperatura è stato raggiunto alla fine del secondo ciclo.

Background teorico:L'effetto della temperatura delle batterie è legato ai materiali interni e alle reazioni chimiche. La generazione termica delle batterie agli ioni di litio a temperature normali è correlata al trasferimento di carica e alle reazioni chimiche durante i processi di carica e scarica. La generazione termica comprende processi reversibili (calore entropico) e processi irreversibili. Secondo le leggi della termodinamica, il comportamento transitorio del calore generato all'interno di una batteria può portare a diversi cambiamenti di temperatura. Per studiare il comportamento termico delle batterie agli ioni di litio e dei pacchi batteria, sono stati definiti una convenzione di denominazione e i relativi parametri per la temperatura, come la temperatura massima, la temperatura minima, la differenza di temperatura e la temperatura media.

3. Risultati

SOC e tensione

La figura seguente mostra la tensione, la corrente e il SoC del pacco batteria. Il tempo di test è diviso in 8 parti di due cicli, dove LD, EC, LC e ED rappresentano rispettivamente scarica tardiva, carica anticipata, carica tardiva e scarica anticipata. Nella prima parte LD1, la corrente è -237A e il pacco batteria e la tensione della batteria diminuiscono; Nella sezione EC1 la corrente è di 237A, il SoC arriva al 33%, e la tensione del pacco batterie aumenta; Nella sezione LC1 la corrente scende a 33A e la tensione del pacco batterie aumenta; Nella sezione ED1, la corrente è -237A e il SoC e la tensione diminuiscono. Nel secondo ciclo, la corrente, il SoC e la tensione del pacco batteria hanno mostrato un'evoluzione temporale simile a quella del primo ciclo e il test è terminato alle 21:05.

I pacchi batteria agli ioni di litio richiedono in genere lunghi periodi di corrente elevata e costante nelle applicazioni pratiche, pertanto il BMS ridurrà la potenza per garantire la sicurezza. La figura sopra mostra un'improvvisa diminuzione del limite di corrente durante la fase di ricarica tardiva a causa della gestione termica della batteria.

Prestazioni termiche

La Figura a mostra la cronologia temporale della temperatura di 8 termocoppie nel Modulo 1. I valori di T1 e+12 erano al centro dell'intervallo di temperatura del modulo all'inizio del test, ma sono scesi al minimo alla fine del test test. T1 e -01 erano uguali a Tmin all'inizio del primo ciclo e la temperatura della batteria al centro del modulo era la più alta.

La Figura b mostra la distribuzione della temperatura del modulo 2, dove T2, -12 è Tmin, T2,+01 è la seconda temperatura più bassa e T2,+04 è Tmax.

La Figura c mostra la distribuzione della temperatura del modulo 3, dove T3, -01 è Tmin, T3,+12 è la seconda temperatura più bassa, T3,+04, T3, -06, e T3, -07 è Tmax.

La figura seguente mostra la cronologia temporale della temperatura media, della temperatura massima, della temperatura minima e della differenza di temperatura del pacco batteria e di ciascun modulo. Il Trise del pacco batteria in EC1 ed EC2 è rispettivamente di 1,6 gradi C e 1,2 gradi C. Durante il ciclo di scarica completo (combinazione di ED1 e LD2), il Trise è di circa 5,8 gradi C. Il ∆ T massimo è 2,0 gradi C e 3,2 gradi C alla fine di EC1 ed EC2, rispettivamente, mentre il ∆ T minimo è 1,3 gradi C e 2,2 gradi C alla fine del primo e del secondo ciclo di carica completo, rispettivamente T può essere diviso nella differenza tra Tmax e Tavg, nonché la differenza tra Tavg e Tmin. La differenza tra Tavg e Tmin varia linearmente quando la corrente cambia in modo significativo, mentre la differenza tra Tmax e Tavg è sensibile alla corrente e non lineare.

4. Discussione

Ricerca sulla batteria:Nella stessa batteria agli ioni di litio, la temperatura del terminale positivo è superiore a quella del terminale negativo, con una differenza di temperatura massima di circa 0,6 gradi C. Questo fenomeno è stato menzionato anche in letteratura. Inoltre, alla fine dei due cicli, Tmin appare in T1,+12 e T1, -01 nel modulo 1, T2, -12 e T2,+01 nel modulo 2 e T3, -01 e T3,+12 nel modulo 3. Ciò indica che Tmin appare sulla batteria esterna del pacco batteria, a causa del migliore trasferimento di calore convettivo e dell'effetto di raffreddamento sul confine del modulo superficie rispetto alla temperatura ambiente. E il Tmax di ciascun modulo appare nella batteria centrale, ma questo non è simmetrico, indicando il comportamento dinamico e la non uniformità della temperatura di ciascuna batteria. Questo fenomeno illustra la complessità di questo sistema dinamico e sottolinea l'importanza di valutare il comportamento termico di tutti i moduli nel pacco batteria.

Ricerca del modulo:Il Tavg del Modulo 1 è superiore a quello del pacco batteria nella prima metà di LD, EC, ED e LC, indicando che il Modulo 1 è più sensibile alle correnti elevate rispetto ad altri moduli, genera più calore, aumenta più velocemente la temperatura, e scambia il calore meglio di altri moduli. Ciò indica la complessità del sistema del pacco batteria e il comportamento termico di ciascun modulo dovrebbe essere studiato e ispezionato separatamente.

Ricerca sulla batteria:Nelle batterie, nei moduli e nei pacchi batteria agli ioni di litio, la temperatura aumenta sempre negli ED, LD ed EC. Pertanto, Tmax appare non solo a metà di LC1 e LC2, ma anche alla fine di EC1 e EC2. In altre parole, quando c’è una corrente elevata, la temperatura aumenterà perché più ioni di litio dovrebbero muoversi attraverso la membrana e generare più calore. Pertanto, all'inizio delle LC, ci sarà un calo di temperatura, seguito dall'osservazione del comportamento della temperatura in uno stato quasi stazionario.

Durante il ciclo di scarica completo tra due cicli di carica, la temperatura aumenta in modo monotono; Nel complesso, Trise è aumentato di 5,8 gradi C rispetto al suo valore iniziale di 31,8 gradi C. Inoltre, anche ∆ T ha mostrato la stessa tendenza al rialzo da 1,3 gradi C a 2,7 gradi C. Ciò è dovuto all'elevata corrente basata sull'equazione (2) durante questo periodo, nonché la sensibilità del modulo 1 alla corrente. Inoltre, i modelli Trise nei due cicli di carica hanno mostrato andamenti simili. All'inizio aumenta, poi diminuisce e infine mantiene una temperatura quasi stazionaria. Pertanto, quando al pacco batteria viene applicata una corrente maggiore, si otterranno Trise e ∆ T più elevati.

∆ T può essere suddiviso nella differenza tra Tmax e Tavg, nonché nella differenza tra Tavg e Tmin. Tmax è altamente sensibile ai gradienti di temperatura e varia nel tempo, mentre Tmin è meno sensibile alle variazioni di corrente. Pertanto, la parte più importante della variazione di temperatura nel pacco batteria è dovuta al comportamento di Tmax. In altre parole, la differenza tra Tavg e Tmin varia linearmente quando c'è una differenza significativa nella corrente e la pendenza cambia. La differenza tra Tmax e Tavg è molto sensibile alla corrente e la pendenza aumenterà nel tempo. Pertanto, nel secondo scenario, ad eccezione di variazioni significative in grandi differenze di corrente, ∆ T non mostra un comportamento lineare sia nelle correnti costanti che in quelle dinamiche. Il lavoro futuro dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di sistemi di raffreddamento efficienti e sull’esplorazione di diverse strategie di gestione termica per migliorare le prestazioni e la sicurezza dei pacchi batterie agli ioni di litio sulla base dei risultati ottenuti da questo studio.

5. Riepilogo

Questo articolo studia il comportamento termico dei pacchi batteria agli ioni di litio da 48 V sotto corrente dinamica, che è fondamentale per comprendere il funzionamento sicuro e affidabile dei pacchi batteria agli ioni di litio, soprattutto nelle applicazioni che richiedono elevata potenza e densità di energia.

I risultati sperimentali indicano che il comportamento della temperatura del pacco batteria è complesso e non lineare, con differenze tra diverse batterie, moduli e l'intero pacco batteria. La temperatura esterna al pacco batteria è inferiore a quella della batteria interna grazie al migliore trasferimento di calore convettivo e la temperatura del terminale positivo di una singola batteria è superiore alla temperatura del terminale negativo. Un modulo è più sensibile alle correnti elevate, con conseguente aumento della temperatura e generazione di calore più rapidi, cosa che può essere ottenuta solo studiando tutti i moduli nello stesso pacco batteria agli ioni di litio.

Il comportamento termico della batteria è influenzato principalmente da Tmax, che è più sensibile alla corrente. Trise è dovuto principalmente alla corrente elevata e al calore generato dal movimento degli ioni di litio attraverso il separatore. La differenza tra Tmin e Tavg varia linearmente in condizioni di corrente costante, mentre la differenza tra Tmax e Tavg varia in modo non lineare in caso di variazioni di corrente, soprattutto in caso di grandi differenze di corrente.

Nel complesso, i risultati della ricerca indicano l’importanza di esaminare e valutare individualmente il comportamento termico di ciascuna batteria, modulo e dell’intero pacco batteria per comprendere la complessità e il comportamento non lineare dei pacchi batteria agli ioni di litio sottoposti a correnti dinamiche. I risultati di questo studio contribuiranno in futuro allo sviluppo di sistemi di gestione termica delle batterie più efficienti e affidabili per i pacchi batterie agli ioni di litio nelle applicazioni automobilistiche. Nel determinare le strategie e i parametri di gestione termica della batteria, è necessario considerare le differenze tra il modulo Tavg, la dipendenza di Tavg da Tmax e l'impatto della posizione della batteria sui cambiamenti di temperatura.