Rivelazione della tecnologia della tensione differenziale: come prevedere in modo efficiente i cambiamenti di temperatura all'interno delle batterie agli ioni di litio

Astratto

Le prestazioni delle batterie agli ioni di litio dipendono in gran parte dalla temperatura operativa della batteria. Tuttavia, i dati sulla temperatura solitamente ottenuti vengono misurati da termocoppie fissate alla superficie della batteria, che potrebbero non riflettere accuratamente la temperatura effettiva all'interno della batteria, soprattutto in caso di temperature ambiente basse e velocità di scarica elevate. Questo articolo introdurrà un metodo innovativo che utilizza la tecnologia della tensione differenziale per prevedere la temperatura interna di una batteria soft pack agli ioni di litio da 40 Ah. La differenza tra le misurazioni della temperatura interna ed esterna dipende dalla velocità di scarico e dalla temperatura ambiente. Durante il processo di scarica continua, la differenza tra la superficie e la temperatura misurata aumenta nella fase iniziale di scarica, raggiunge il suo picco nella fase intermedia e poi diminuisce nella fase finale di scarica. I risultati di questo studio possono supportare attivamente le strategie di controllo nei sistemi di gestione delle batterie (BMS).

1. Introduzione

Con la crescente attenzione alle questioni ambientali e l’impegno dei governi a ridurre le emissioni, i veicoli elettrici (EV) vengono sempre più considerati una potenziale soluzione. Uno dei fattori chiave del loro successo è il sistema di accumulo dell’energia (ESS) utilizzato. L'ESS ideale dovrebbe avere un'elevata densità di energia e potenza, un'eccellente durata e dimostrare affidabilità in varie condizioni operative come cicli di guida, temperatura, ecc. Nella tecnologia delle batterie commerciali, le batterie agli ioni di litio sono diventate la scelta preferita per i veicoli elettrici puri (BEV). ) a causa del loro volume e della densità di energia/potenza più elevati.

I BEV basati su batterie agli ioni di litio ridurranno significativamente la loro autonomia e le prestazioni energetiche in condizioni di bassa temperatura e alto tasso di C. Le ragioni del degrado delle prestazioni includono una ridotta conduttività dell'elettrolita, una ridotta diffusione del litio allo stato solido, un'elevata polarizzazione degli anodi di grafite e una cinetica lenta di trasferimento della carica. Nello studio delle batterie agli ioni di litio 18650 da 2,2 Ah, le prestazioni elettrochimiche della batteria dipendono fortemente dalla sua temperatura operativa. Tuttavia, la temperatura operativa delle batterie viene solitamente misurata da termocoppie fissate alla superficie della batteria, che potrebbero non riflettere accuratamente i processi elettrochimici all'interno della batteria. La misurazione della tensione differenziale (DV) viene utilizzata per dedurre l'allineamento stechiometrico degli elettrodi in corrispondenza o vicino all'equilibrio per rilevare il decadimento della capacità. Per evitare il fenomeno del trasferimento di carica, è necessario evitare correnti elevate. DV rappresenta la variazione di tensione per capacità di scarica unitaria (dV/dQ), che riflette l'impatto cumulativo delle condizioni operative (temperatura ambiente, tasso di C, SOC, impedenza e autoriscaldamento) sulla batteria.

L'obiettivo di questo articolo è utilizzare la tecnologia DV per prevedere la "resistenza effettiva" delle batterie sotto diverse correnti di scarica continua a temperature ambiente comprese tra -20 e 25 gradi C, e quindi prevederne la temperatura interna. La deviazione tra la temperatura superficiale interna e quella misurata della batteria è direttamente correlata alla corrente di scarica e diminuisce con la diminuzione della temperatura ambiente. Queste previsioni possono aiutare a migliorare l’accuratezza della stima della temperatura della batteria e migliorare le strategie di controllo all’interno dei sistemi di gestione della batteria (BMS).

2. Metodi di ricerca

A. Dettagli sperimentali

Per studiare il comportamento della batteria, è stata testata una batteria soft pack agli ioni di litio del peso di 0,97 chilogrammi con un elettrodo positivo NMC. La batteria ha una tensione nominale di 3,7 volt e una capacità di 40 ampere-ora. Una termocoppia di tipo K è installata al centro geometrico della superficie principale della batteria soft pack. La batteria viene inserita nella cella calda Votsch e sottoposta a cicli di carica e scarica utilizzando un termociclatore Bitrode. Il test è stato condotto a quattro diverse temperature ambiente: -20 grado C, -10 grado C, 0 grado C e 25 grado C. La ricarica viene eseguita solo a 25 gradi C, la ricarica a una velocità di 0,5 C (20 amp) finché la tensione non raggiunge 4,2 volt. La corrente di carica scende quindi a 0.05C mantenendo una tensione di 4,2 volt. Le correnti di scarica utilizzate includono 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C e 8C. I parametri misurati direttamente includono tensione della batteria (V), capacità (Ah), potenza (W), energia di scarica (Wh) e temperatura (misurata) della superficie della batteria (gradi C). La tensione di interruzione di questa batteria è di 2,7 volt.

B. Per calcolare la "temperatura interna" dai parametri di misurazione utilizzando la tecnologia della tensione differenziale, abbiamo adottato i seguenti passaggi per la previsione della temperatura interna (vedere Figura 1):

1. Calcolo della variazione di tensione:Calcolare la variazione di tensione (∆ V) in ogni fase temporale.

2. Calcolo della resistenza effettiva:La "resistenza effettiva" R è una funzione lineare di DV, ottenuta dividendo ∆ V per la corrente di scarica.

Figura 1. Modello semplice di generazione del calore

3. Calcolo della generazione di calore:Calcolare il calore generato in ogni fase temporale Qgen=∆ V ²/R.

4. Calcolo della conduzione del calore:Il calcolo della conduzione del calore dal nucleo della batteria alla superficie è Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), dove k è la conduttività termica planare della batteria, A è l'area superficiale, e L è la distanza tra il nucleo della batteria e la superficie.

5. Calcolo del trasferimento di calore convettivo:Il calcolo del trasferimento di calore convettivo sulla superficie della batteria è Qconv=(h × A × (T-Tamb)), dove h è il coefficiente di trasferimento di calore convettivo e Tamb è la temperatura ambiente.

6. Calcolo del cambiamento di temperatura:Calcolare la variazione di temperatura ∆ T ogni secondo come (QGen Qcond QConv)/(m × C). Qui, t è il passo temporale (in secondi), m è 0,97 chilogrammi e C è la capacità termica. Supponendo che Qbond sia zero a t=0 secondi, utilizza Qbond dal passaggio temporale precedente.

7. Calcolo della temperatura interna:Calcolare la temperatura interna integrando ∆ T ad ogni passo temporale.

Questo metodo fornisce un nuovo approccio per prevedere con precisione la temperatura interna delle batterie considerando in modo completo le loro prestazioni elettrochimiche e le caratteristiche termiche, il che è di grande importanza per ottimizzare i sistemi di gestione delle batterie (BMS) e migliorare le prestazioni delle batterie.

Tabella 1. Parametri della batteria delle batterie con custodia agli ioni di litio

3. Risultati e discussione

A. L'influenza del tasso C e della temperatura ambiente sulla capacità di scarica e sull'energia di scarica

I risultati sperimentali mostrano che l'energia rilasciata dalla batteria diminuisce con l'aumento del C-rate e la diminuzione della temperatura ambiente. Questo perché l’aumento dell’impedenza della batteria porta a una diminuzione più rapida della tensione della batteria, inclusa una diminuzione della conduttività ionica, un aumento della resistenza dell’elettrolita, una polarizzazione anodica più elevata, un trasferimento di carica più lento e un’insufficiente diffusione della fase solida del litio.

Figura 2. Evoluzione della tensione con energia di scarica a diverse temperature ambientali e velocità di c

Quando si scarica a 5°C a -10 grado C, la tensione aumenterà per un periodo di tempo considerevole durante il ciclo di scarica. Questo perché l'autoriscaldamento provoca un aumento della temperatura della batteria, con conseguente diminuzione della resistenza dell'elettrolito a causa di un aumento della conduttività ionica e della velocità di diffusione del sale, rendendo così l'energia di scarica più elevata rispetto alla scarica isotermica. A -10 grado C, la capacità di scarica di 5C è superiore del 3,6% rispetto a 1C, ma l'energia di scarica è inferiore del 2,9%; A 0 grado C, la capacità di scarica di 5°C è superiore dell'1% rispetto a 1°C e l'energia di scarica è inferiore del 5,3%, indicando che i vantaggi in termini di capacità apportati dall'autoriscaldamento potrebbero essere sovrastimati e la maggior parte dell'aumento di capacità è utilizzato per il riscaldamento della batteria.

Figura 3. Evoluzione della tensione di batterie con capacità di scarica a diverse temperature ambiente e velocità di carica

B. L'influenza del tasso C e della temperatura ambiente sulla previsione della temperatura interna utilizzando la tensione differenziale

Figura 4. Resistenza effettiva ed energia di scarica a diverse temperature ambientali e tassi di C

La resistenza effettiva generalmente aumenta con la diminuzione della temperatura ambiente e l'aumento del tasso C, il che significa che ad un certo punto del ciclo di scarica, la tensione cambia in modo più significativo con il rilascio di energia. A temperature ambiente più basse, soprattutto a tassi di C elevati, la resistenza effettiva è maggiore a causa della bassa conduttività ionica, del lento trasferimento di carica, dell'elevata resistenza dell'elettrolita e della lenta diffusione dello stato solido. Ciò è coerente con studi precedenti che mostrano che la resistenza CC aumenta con la diminuzione della temperatura ambiente e l’aumento dei tassi di C, e la resistenza effettiva aumenta alla fine della scarica. Sebbene il grado di autoriscaldamento della scarica a 5°C sia elevato a -10 grado C, la sua resistenza effettiva è ancora la più alta, probabilmente a causa del breve tempo di scarica.

Figura 5. Confronto tra la temperatura interna (I) e quella misurata (M) a diverse velocità C a una temperatura ambiente di 25 gradi

Figura 6. Confronto tra la temperatura interna (I) e quella misurata (M) a diversi tassi di C a una temperatura ambiente di 0 gradi

Durante lo scarico, sia la temperatura misurata che la temperatura interna aumentano, con un aumento maggiore della temperatura e un aumento maggiore della temperatura interna a un tasso di C elevato e a una temperatura ambiente bassa. Coerentemente con altri studi, la differenza massima tra la temperatura interna e quella misurata durante il ciclo di scarica (∆ T) è proporzionale al corrispondente tasso di C e la differenza aumenta al diminuire della temperatura ambiente. Il ∆ T in diverse condizioni operative in questo articolo è leggermente superiore rispetto allo studio che indaga solo i gradienti di temperatura superficiale, ma è più coerente con lo studio che confronta le temperature interne e superficiali, indicando che la temperatura interna stimata in questo articolo rappresenta la media complessiva temperatura della batteria e la temperatura misurata proviene dalle letture del sensore di superficie/termocoppia. La differenza tra la temperatura interna della batteria e la temperatura misurata generalmente aumenta con la scarica, raggiunge un picco a metà scarica e poi diminuisce. L'entità della differenza aumenta con l'aumento del tasso di C e della temperatura ambiente.

Figura 7. Confronto tra la temperatura interna (I) e quella misurata (M) a diverse velocità C a una temperatura ambiente di 25 gradi.

Figura 8. Evoluzione della temperatura interna e differenza di temperatura misurata della batteria ogni 30 Wh di scarica

4. Riepilogo

A temperature ambiente più basse, i vantaggi in termini di capacità dell'autoriscaldamento potrebbero essere sovrastimati e potrebbero non tradursi in un aumento dell'energia disponibile per la batteria.

Limitazioni dell'effetto autoriscaldante:In ambienti a bassa temperatura, sebbene l’effetto di autoriscaldamento delle batterie possa aumentare la capacità di scarica, ciò non significa sempre che l’energia rilasciata dalla batteria aumenterà. Questo perché la maggiore capacità può essere utilizzata principalmente per riscaldare la batteria, piuttosto che per svolgere lavoro o fornire più energia elettrica.

La resistenza effettiva di una batteria è maggiore con correnti di scarica più elevate e temperature ambiente più basse.

La relazione tra resistenza effettiva e condizioni operative:La resistenza effettiva è un parametro importante di una batteria in condizioni operative specifiche, che aumenta con l'aumento della corrente di scarica e la diminuzione della temperatura ambiente. Ciò indica che la conduzione ionica e il trasferimento di carica all'interno della batteria sono maggiormente ostacolati in condizioni di scarica ad alta corrente e bassa temperatura.

La differenza tra la temperatura interna della batteria e la temperatura superficiale misurata della batteria aumenta con l'aumento della corrente di scarica e la diminuzione della temperatura ambiente.

La relazione tra differenza di temperatura e condizioni operative:La differenza tra la temperatura interna e quella superficiale (∆ T) è direttamente correlata alla corrente di scarica e alla temperatura ambiente. Ciò significa che in condizioni di scarica ad alta corrente e ambienti a bassa temperatura, la temperatura all'interno della batteria potrebbe essere molto più elevata della temperatura superficiale, che è fondamentale per la gestione termica e l'ottimizzazione delle prestazioni della batteria.

Durante il ciclo di scarica, la differenza tra la temperatura interna della batteria e la temperatura superficiale misurata della batteria aumenta nelle prime fasi di scarica, raggiunge il suo picco nelle fasi intermedie e poi diminuisce nelle fasi finali di scarica.

Cambiamenti dinamici nelle differenze di temperatura:L'andamento delle differenze di temperatura tra la parte interna e la superficie di una batteria durante la scarica riflette la complessità della dinamica termica interna della batteria. Questa differenza aumenta nelle prime fasi di scarica, probabilmente a causa del rapido aumento del calore generato internamente quando la batteria inizia a scaricarsi. Il picco durante la scarica intermedia potrebbe essere dovuto alla temperatura interna più elevata della batteria, mentre la diminuzione verso la fine della scarica potrebbe essere dovuta alla diminuzione del calore generato all'interno della batteria e all'inizio del raffreddamento.

Queste osservazioni sono cruciali per la progettazione e l’ottimizzazione dei sistemi di gestione delle batterie (BMS), poiché forniscono preziose informazioni sul comportamento delle batterie in diverse condizioni operative. Comprendendo e prevedendo questi fenomeni è possibile gestire in modo più efficace la temperatura della batteria, migliorandone quindi le prestazioni e la durata.