Test termico della batteria al litio EV

Test termico della batteria al litio EV

Negli ultimi anni, i veicoli elettrici si sono sviluppati rapidamente e, come componente chiave dei veicoli elettrici, anche le batterie di alimentazione hanno subito un rapido sviluppo tecnologico. Le prestazioni e la durata delle batterie di alimentazione determinano direttamente le prestazioni e il costo dei veicoli a trasmissione elettrica. Attualmente, le principali batterie di alimentazione utilizzate nei veicoli a trazione elettrica sono batterie al piombo, batterie al nichel-cadmio, batterie al nichel-metallo idruro, batterie agli ioni di litio e batterie a supercondensatore. Le batterie di alimentazione agli ioni di litio hanno gradualmente sostituito le batterie al piombo, la batteria al nichel-cadmio e la batteria al nichel-metallo idruro come batterie di alimentazione principali per i veicoli a trazione elettrica a causa dei loro vantaggi come l'elevata potenza specifica, l'elevata densità di energia, la lunga durata, la bassa auto velocità di scarico, tempo di conservazione lungo e nessun inquinamento.

La batteria di alimentazione utilizzata nei veicoli elettrici è composta da più celle della batteria disposte in serie e in parallelo per formare un pacco batteria. Le celle della batteria sono disposte strettamente insieme e durante la carica e la scarica ciascuna cella genera una grande quantità di calore. Il calore generato dalle celle della batteria si influenzerà a vicenda. Se la dissipazione del calore non è uniforme, causerà un rapido aumento della temperatura locale del pacco batteria, deteriorerà la consistenza della batteria e ne ridurrà notevolmente la durata. In casi gravi, si verificherà una fuga termica di alcune singole batterie, con conseguente in incidenti relativamente gravi.

Allo stesso tempo, quando la batteria di alimentazione si trova in un ambiente a bassa temperatura, le prestazioni di carica e scarica della batteria agli ioni di litio diminuiranno in modo significativo. I produttori e i professionisti della batteria agli ioni di litio hanno svolto molti lavori di ricerca su questo. Allo stato attuale, si ritiene generalmente che le prestazioni a bassa temperatura della batteria agli ioni di litio siano dovute al film SEI, all'impedenza di trasferimento della carica superficiale, alla diffusione degli ioni di litio nell'elettrodo e ad altri motivi, ma i principali fattori che influenzano le prestazioni a bassa temperatura della batteria non sono stati determinati, Durante il processo di carica e scarica delle batterie a basse temperature, si genera anche calore. Se questo calore può aiutare a ripristinare le prestazioni della batteria non è stato ancora studiato nella letteratura pertinente. Pertanto, è necessario condurre ricerche pertinenti sulle caratteristiche termiche delle batterie.

1 Carica e scarica della batteria a temperatura ambiente

Questa sezione esamina le caratteristiche di generazione del calore di una batteria all'ossido di litio e manganese da 35 Ah durante la carica e la scarica in condizioni naturali di dissipazione del calore. Le celle della batteria sono sospese in uno spazio senza dissipazione forzata del calore, in condizioni naturali di dissipazione del calore. Durante il processo di carica e scarica della batteria, viene utilizzato un sistema di misurazione della temperatura a 16 canali per misurare la temperatura della batteria.

1.1 Caratteristiche di generazione di calore della scarica della batteria

In un ambiente di dissipazione del calore naturale, scaricare le batterie rispettivamente a velocità di 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C e 4C. In primo luogo, sospendere la batteria in un ambiente senza dissipazione forzata del calore a temperatura ambiente. Prima di scaricarla, caricare la batteria a una corrente costante fino a un voltaggio costante di 1C/3 e lasciarla riposare per 2 ore dopo la ricarica completa; Quindi eseguire una scarica a corrente costante a una certa velocità, con una tensione di interruzione di 3 V. A causa del fatto che l'esperimento è stato condotto in un ambiente di dissipazione del calore naturale, la temperatura della stanza varia leggermente in diversi periodi di tempo. Per facilità di confronto, la temperatura iniziale della batteria è stata fissata uniformemente a 20 ℃ durante il processo di disegno.

Dai risultati sperimentali si può vedere che durante il processo di scarica, la temperatura dell'orecchio positivo della batteria è leggermente superiore a quella dell'orecchio negativo, e questa tendenza è più evidente durante la scarica ad alta velocità. All'aumentare della velocità di scarica della batteria, la temperatura delle orecchie positive e negative della batteria aumenta rapidamente. Quando viene scaricata a 0,3 C, la temperatura dell'orecchio positivo della batteria aumenta da 20 ℃ a 21,9 ℃, aumentando solo del 95%;

Quando si scarica a 1C, la temperatura dell'orecchio dell'elettrodo positivo della batteria è aumentata da 20 ℃ a 24,3 ℃, con un aumento del 21,5%; Durante la scarica a 2°C, la temperatura dell'orecchio dell'elettrodo positivo della batteria è aumentata del 48% da 20 ℃ a 29,6 ℃; Durante la scarica a 4°C, la temperatura dell'elettrodo positivo della batteria è aumentata da 20 ℃ a 36,96 ℃, con un aumento dell'84,8%. Pertanto, nell'ambiente ad alta temperatura, quando la batteria viene scaricata a una velocità elevata, è necessario adottare misure di dissipazione del calore corrispondenti, altrimenti la batteria si surriscalda, con conseguente degrado delle prestazioni, durata ridotta e persino un pericoloso stato di fuga termica.

A diverse velocità di scarica, la tendenza all'aumento della temperatura del corpo della batteria è la stessa di quella delle orecchie dell'elettrodo positivo e negativo: l'aumento della temperatura è più rapido nella fase iniziale di scarica, rallenta nella fase intermedia e aumenta rapidamente di nuovo in l'ultima fase della dimissione.

1.2 Caratteristiche di generazione di calore durante la ricarica della batteria

Simile all'esperimento di aumento della temperatura di scarica, durante l'esperimento di aumento della temperatura di carica, la batteria è sospesa in un ambiente senza dissipazione forzata del calore. In primo luogo, la batteria viene scaricata a un tasso di corrente costante di 1C/3, con una tensione di interruzione di 3V. Dopo che lo scarico è stato completato, è consentito riposare per 2 ore.

Quindi, la carica a tensione costante a corrente costante viene eseguita rispettivamente a una velocità di 0,3 C, 0,5 C, 1 C, 2 C, 3 C e 4 C. La differenza di temperatura tra le orecchie positive e negative della batteria durante la carica è inferiore rispetto a quando si scarica alla stessa velocità. Durante il processo di carica a corrente costante, la temperatura delle orecchie positive e negative della batteria aumenta rapidamente; Durante la fase di carica a tensione costante, la temperatura delle orecchie della batteria inizia a diminuire, principalmente a causa della continua diminuzione della corrente di carica e della diminuzione della velocità di generazione del calore della batteria. Pertanto, nel processo di ricarica a corrente costante e tensione costante delle batterie, il processo di ricarica a corrente costante è una fase importante dell'accumulo di calore interno nelle batterie.

La temperatura dei lati anteriore e posteriore è quasi uguale e la tendenza all'aumento della temperatura del corpo della batteria è la stessa di quella delle orecchie positive e negative. Attraverso gli esperimenti di cui sopra sulla generazione di calore di carica e scarica della batteria in un ambiente a temperatura ambiente senza dissipazione forzata del calore, si può vedere che durante la carica e la scarica ad alta velocità, la temperatura della batteria aumenta rapidamente, il che può facilmente causare danni alla batteria e persino pericolosi condizioni di lavoro. Pertanto, i veicoli elettrici devono essere dotati di un sistema di dissipazione del calore per dissipare il calore dalla batteria, al fine di controllare la temperatura della batteria entro un intervallo ragionevole.

2 Scarica della batteria a bassa temperatura

A causa del fatto che il test di carica e scarica a bassa temperatura viene condotto in una camera di prova termica, non è possibile analizzare la generazione di calore della batteria misurando direttamente la temperatura superficiale della batteria e può essere analizzato solo in base al curva di carica e scarica della batteria.

La batteria non è quasi in grado di caricarsi con corrente elevata a basse temperature. Nell'esperimento sono state utilizzate correnti costanti di 35A e 70A per caricare la batteria. Al di sotto di 0 ℃, la tensione di back-end della batteria sale immediatamente a 4,2 V, quindi entra nella fase di carica a tensione costante. In questo momento, la corrente di carica della batteria è relativamente piccola, quindi non vi è alcun evidente fenomeno di riscaldamento. Le batterie possono subire scariche di corrente elevata a breve termine a basse temperature, pertanto è possibile condurre ricerche approfondite sulla generazione di calore durante la scarica delle batterie a bassa temperatura.

Per studiare la generazione di calore delle batterie a basse temperature, le batterie sono state collocate in un ambiente a bassa temperatura e sottoposte a scarica di corrente costante alla stessa velocità. La batteria viene prima caricata a un tasso di corrente costante a voltaggio costante di 1C/3C a temperatura ambiente, completamente caricata e quindi lasciata in una camera termica per 5 ore.

Quindi, viene scaricato a un tasso di corrente costante con una tensione di interruzione di 3V. Nell'intervallo di temperatura di 0 ℃~-40 ℃, scarica a correnti costanti rispettivamente di 10 A, 35 A, 70 A e 140 A. Per il confronto con la scarica a temperatura ambiente, la situazione di scarica della batteria a 20 ℃ è mostrata nella figura e lo stesso metodo verrà utilizzato per il successivo trattamento.

I risultati sperimentali indicano che:

(1) Quando si scarica a bassa corrente, la generazione di calore della batteria non è significativa e non vi è alcuna fluttuazione significativa nella curva di scarica della batteria a diverse basse temperature.

(2) Quando si scarica a bassa temperatura e alta corrente, si verifica una significativa generazione di calore nella batteria, poiché la curva di scarica della batteria presenta uno stato non lineare con evidenti forme di avvallamento e picco e la tensione di scarica oscilla notevolmente.

Prendendo ad esempio una scarica a corrente costante di 70 A, quando si scarica a 20 ℃ e 0 ℃, la curva di scarica è relativamente normale senza picchi di valle. Quando la temperatura ambiente è di -10 ℃, la curva di scarico mostra evidenti avvallamenti. Quando la temperatura ambiente è di -20 ℃, la curva di scarico mostra evidenti picchi di valle. La tensione su entrambe le estremità della batteria scende da 4,15 V prima della scarica a 3,07 V, con una caduta di tensione di 108 V. Successivamente la tensione inizia a salire, raggiungendo un massimo di 3,35V, per poi iniziare a diminuire. Ciò indica che durante la scarica ad alta corrente a basse temperature, durante la fase iniziale di scarica, a causa della bassa temperatura della batteria, le sostanze attive nella batteria non possono essere utilizzate completamente, la polarizzazione dell'elettrodo è grave e la resistenza interna del la batteria è carica.

Pertanto, la tensione di scarica della batteria diminuisce rapidamente durante la fase iniziale di scarica. Con il progredire della scarica, a causa dell'elevata resistenza interna della batteria, all'interno della batteria viene generata una grande quantità di calore, che provoca un rapido aumento della temperatura della batteria, attivando la parte materiale attiva della batteria. Pertanto, la tensione di scarica della batteria inizia a salire. All'aumentare della temperatura della batteria, la resistenza interna della batteria inizia a diminuire e il calore generato diminuisce. Poiché la temperatura ambiente rimane a -20 ℃, la temperatura della batteria diminuisce e anche la tensione di scarica della batteria diminuisce.

(3) In ambienti a bassa temperatura, all'aumentare della corrente di scarica, le prestazioni della batteria migliorano in modo più significativo dopo il riscaldamento. Pertanto, si può vedere che a basse temperature, se la batteria di alimentazione è preriscaldata, fare affidamento sul calore generato durante il funzionamento della batteria può mantenere pienamente le prestazioni della batteria.

3 Conclusione

All'aumentare della corrente di carica e scarica, la temperatura della batteria aumenta rapidamente. Pertanto, la velocità di scarica della batteria di alimentazione deve essere controllata in una certa misura e non è consigliabile condurre una scarica ad alta velocità per lungo tempo. In caso di temperature ambientali elevate o di scariche ad alta velocità, è necessario utilizzare una dissipazione del calore corrispondente. Pertanto, i veicoli elettrici devono installare un sistema di dissipazione del calore della batteria per controllare la temperatura della batteria entro un intervallo ragionevole.

In ambienti a bassa temperatura, il calore generato durante lo scaricamento della batteria può essere utilizzato per migliorare le prestazioni a bassa temperatura della batteria. Quando si progetta un sistema di riscaldamento della batteria, questa funzione può essere utilizzata semplicemente considerando il preriscaldamento della batteria.