Otkrivanje tehnologije diferencijalnog napona: Kako učinkovito predvidjeti promjene temperature unutar litij-ionskih baterija

Sažetak

Performanse litij-ionskih baterija uvelike ovise o radnoj temperaturi baterije. Međutim, podaci o temperaturi koji se obično dobiju mjere se pomoću termoparova pričvršćenih na površinu baterije, koji možda neće točno odražavati stvarnu temperaturu unutar baterije, posebno pri niskim temperaturama okoline i visokim stopama pražnjenja. Ovaj će članak predstaviti inovativnu metodu koja koristi tehnologiju diferencijalnog napona za predviđanje unutarnje temperature 40Ah litij-ionske baterije s mekim paketom. Razlika između mjerenja unutarnje i vanjske temperature ovisi o brzini pražnjenja i temperaturi okoline. Tijekom kontinuiranog procesa pražnjenja, razlika između površinske i izmjerene temperature raste u ranoj fazi pražnjenja, doseže svoj vrhunac u srednjoj fazi, a zatim se smanjuje u kasnoj fazi pražnjenja. Rezultati ove studije mogu aktivno podržati strategije upravljanja u sustavima upravljanja baterijama (BMS).

1. Uvod

Uz sve veću pozornost na pitanja okoliša i predanost vlada smanjenju emisija, električna vozila (EV) sve se više vrednuju kao potencijalno rješenje. Jedan od ključnih faktora za njihov uspjeh je sustav za pohranu energije (ESS). Idealan ESS trebao bi imati visoku gustoću energije i snage, odličan životni vijek i pokazati pouzdanost u različitim radnim uvjetima kao što su ciklusi vožnje, temperatura itd. U komercijalnoj tehnologiji baterija, litij-ionske baterije postale su preferirani izbor za čisto električna vozila (BEV) ) zbog najvećeg volumena i težine gustoće energije/snage.

BEV-ovi koji se temelje na litij-ionskim baterijama značajno će smanjiti svoj domet i snagu u uvjetima niske temperature i visoke stope C. Razlozi za degradaciju performansi uključuju smanjenu vodljivost elektrolita, smanjenu difuziju litija u čvrstom stanju, visoku polarizaciju grafitnih anoda i sporu kinetiku prijenosa naboja. U istraživanju litij-ionskih baterija od 2,2 Ah 18650, elektrokemijska izvedba baterije snažno ovisi o njezinoj radnoj temperaturi. Međutim, radna temperatura baterija obično se mjeri termoparovima pričvršćenim na površinu baterije, koji možda neće točno odražavati elektrokemijske procese unutar baterije. Mjerenje diferencijalnog napona (DV) koristi se za zaključivanje stehiometrijskog poravnanja elektroda na ili blizu ravnoteže kako bi se otkrilo opadanje kapaciteta. Kako bi se izbjegao fenomen prijenosa naboja, treba izbjegavati jaku struju. DV predstavlja varijaciju napona po jedinici kapaciteta pražnjenja (dV/dQ), što odražava kumulativni utjecaj radnih uvjeta (temperatura okoline, C-stopa, SOC, impedancija i samozagrijavanje) na bateriju.

Cilj ovog članka je korištenje DV tehnologije za predviđanje "efektivnog otpora" baterija pod različitim kontinuiranim strujama pražnjenja na temperaturama okoline u rasponu od -20 do 25 stupnjeva C, a zatim predviđanje njihove unutarnje temperature. Odstupanje između unutarnje i izmjerene površinske temperature baterije izravno je povezano sa strujom pražnjenja i smanjuje se s padom temperature okoline. Ova predviđanja mogu pomoći u poboljšanju točnosti procjene temperature baterije i poboljšati strategije kontrole unutar sustava upravljanja baterijom (BMS).

2. Metode istraživanja

A. Eksperimentalni detalji

Kako bi se istražilo ponašanje baterije, testirana je litij-ionska baterija s mekim paketom težine 0,97 kilograma s NMC pozitivnom elektrodom. Baterija ima nazivni napon od 3,7 volti i kapacitet od 4 0 amper sata. Termopar K-tipa ugrađen je u geometrijsko središte glavne površine meke baterije. Baterija se stavlja u Votsch vruću ćeliju i podvrgava se ciklusima punjenja i pražnjenja pomoću Bitrode baterijskog ciklusa. Test je proveden na četiri različite temperature okoline: -20 stupnjeva C, -10 stupnjeva C, 0 stupnjeva C i 25 stupnjeva C. Punjenje se provodi samo na 25 stupnjeva C, punjenje pri brzini od 0.5C (20 ampera) dok napon ne dosegne 4,2 volta. Struja punjenja tada pada na 0.05C uz zadržavanje napona od 4,2 volta. Korištene struje pražnjenja uključuju 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C i 8C. Izravno mjereni parametri uključuju napon baterije (V), kapacitet (Ah), snagu (W), energiju pražnjenja (Wh) i (izmjerenu) temperaturu površine baterije (stupnjevi C). Isključni napon ove baterije je 2,7 volti.

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

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

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

Slika 1. Jednostavni model proizvodnje topline

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

4. Proračun toplinske vodljivosti:Izračun provođenja topline od jezgre baterije do površine je Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), gdje je k planarna toplinska vodljivost baterije, A je površina, a L je udaljenost između jezgre baterije i površine.

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

6. Izračun 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. Pod pretpostavkom da je Qbond nula u t=0 sekundi, tada upotrijebite Qbond iz prethodnog vremenskog koraka.

7. Izračun unutarnje temperature:Izračunajte unutarnju temperaturu integriranjem ∆ T u svakom vremenskom koraku.

Ova metoda pruža novi pristup za točno predviđanje unutarnje temperature baterija sveobuhvatnim razmatranjem njihove elektrokemijske izvedbe i toplinskih karakteristika, što je od velike važnosti za optimizaciju sustava upravljanja baterijama (BMS) i poboljšanje performansi baterije.

Tablica 1. Parametri baterije litij-ionskih vrećica

3. Rezultati i rasprava

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

Eksperimentalni rezultati pokazuju da se energija koju oslobađa baterija smanjuje s povećanjem C-stope i smanjenjem temperature okoline. To je zato što povećanje impedancije baterije dovodi do bržeg smanjenja napona baterije, uključujući smanjenje vodljivosti iona, povećanje otpora elektrolita, veću anodnu polarizaciju, sporiji prijenos naboja i nedovoljnu difuziju čvrste faze litija.

Slika 2. Evolucija napona s energijom pražnjenja pri različitim temperaturama okoliša i brzinama c

Kod pražnjenja na 5C na -10 stupnju C, napon će rasti značajno vrijeme tijekom ciklusa pražnjenja. To je zato što samozagrijavanje uzrokuje povećanje temperature baterije, što rezultira smanjenjem otpora elektrolita zbog povećanja ionske vodljivosti i brzine difuzije soli, čime energija pražnjenja postaje veća nego tijekom izotermnog pražnjenja. Na -10 stupnju C, kapacitet pražnjenja od 5C je 3,6% veći od 1C, ali je energija pražnjenja 2,9% manja; Na 0 stupnju C, kapacitet pražnjenja od 5C je 1% veći od 1C, a energija pražnjenja je 5,3% niža, što ukazuje da su prednosti kapaciteta koje donosi samozagrijavanje možda precijenjene, a većina povećanog kapaciteta je koristi se za grijanje baterije.

Slika 3. Razvoj napona baterija s kapacitetom pražnjenja pri različitim temperaturama okoline i brzinama c

B. Utjecaj C-rate i temperature okoline na predviđanje unutarnje temperature pomoću 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 nekoj točki ciklusa pražnjenja napon značajnije mijenja s oslobađanjem energije. Pri nižim temperaturama okoline, posebno pri visokim C-stopama, efektivni otpor je veći zbog niske vodljivosti iona, sporog prijenosa naboja, visokog otpora elektrolita i spore difuzije čvrstog stanja. Ovo je u skladu s prethodnim studijama koje pokazuju da otpor istosmjerne struje raste sa smanjenjem temperature okoline i povećanjem C-stopa, a efektivni otpor raste na kraju pražnjenja. Iako je stupanj samozagrijavanja pražnjenja od 5C visok na -10 stupnju C, njegova efektivna otpornost je još uvijek najveća, vjerojatno zbog kratkog vremena pražnjenja.

Slika 5. Usporedba unutarnje (I) i izmjerene (M) temperature pri različitim C stopama na temperaturi okoline od 25 stupnjeva

Slika 6. Usporedba unutarnje (I) i izmjerene (M) temperature pri različitim C stopama na temperaturi okoline od 0 stupnjeva

Tijekom pražnjenja, i izmjerena temperatura i unutarnja temperatura rastu, s većim porastom temperature i većim porastom unutarnje temperature pri visokoj stopi C i niskoj temperaturi okoline. U skladu s drugim studijama, maksimalna razlika između unutarnje i izmjerene temperature tijekom ciklusa pražnjenja (∆ T) proporcionalna je odgovarajućoj C-brzini, a razlika se povećava kako se smanjuje temperatura okoline. ∆ T pod različitim radnim uvjetima u ovom članku nešto je viši od studije koja istražuje samo gradijente površinske temperature, ali je dosljedniji studiji koja uspoređuje unutarnju i površinsku temperaturu, što ukazuje da procijenjena unutarnja temperatura u ovom članku predstavlja prosječnu ukupnu temperatura baterije, a izmjerena temperatura dolazi iz očitanja površinskog senzora/termopara. Razlika između unutarnje temperature baterije i izmjerene temperature općenito raste s pražnjenjem, doseže vrhunac usred pražnjenja, a zatim opada. Veličina razlike raste s porastom C-brzine i temperature okoline.

Slika 7. Usporedba unutarnje (I) i izmjerene (M) temperature pri različitim stupnjevima C pri temperaturi okoline od 25 stupnjeva.

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

4. Sažetak

Na nižim temperaturama okoline, prednosti kapaciteta samozagrijavanja mogu biti precijenjene i možda se neće prevesti u povećanje raspoložive energije za bateriju.

Ograničenja učinka samozagrijavanja:U okruženjima s niskom temperaturom, iako učinak 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 davanje više električne energije.

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

Odnos između efektivnog otpora i radnih uvjeta:Efektivni otpor je važan parametar baterije u određenim radnim uvjetima, koji raste s povećanjem struje pražnjenja i smanjenjem temperature okoline. To znači da su ionska kondukcija i prijenos naboja unutar baterije otežani u uvjetima pražnjenja velike struje i niske temperature.

Razlika između unutarnje temperature baterije i izmjerene površinske temperature baterije povećava se s povećanjem struje pražnjenja i smanjenjem temperature okoline.

Odnos između temperaturne razlike i radnih uvjeta:Razlika između unutarnje i površinske temperature (∆ T) izravno je povezana sa strujom pražnjenja i temperaturom okoline. To znači da u okruženjima s 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.

Tijekom ciklusa pražnjenja, razlika između unutarnje temperature baterije i izmjerene površinske temperature baterije povećava se u ranim fazama pražnjenja, doseže svoj vrhunac u srednjim fazama, a zatim se smanjuje u kasnim fazama pražnjenja.

Dinamičke promjene temperaturnih razlika:Trend temperaturnih razlika između unutarnje i površinske baterije tijekom pražnjenja odražava složenost unutarnje toplinske dinamike baterije. Ta se razlika povećava u ranim fazama pražnjenja, vjerojatno zbog brzog povećanja topline koja se stvara unutar baterije kada se baterija počne prazniti. Vrhunac tijekom srednjeg pražnjenja može biti posljedica najviše unutarnje temperature baterije, dok smanjenje prema kraju pražnjenja može biti posljedica smanjenja topline koja se stvara unutar baterije i početka hlađenja.

Ta su opažanja ključna za dizajn i optimizaciju sustava upravljanja baterijama (BMS), budući da pružaju vrijedne informacije o ponašanju baterija u različitim radnim uvjetima. Razumijevanjem i predviđanjem ovih pojava, moguće je učinkovitije upravljati temperaturom baterije, čime se poboljšavaju njezine performanse i životni vijek.