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Test a bassa temperatura per le batterie al litio EV

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Test a bassa temperatura per le batterie al litio EV

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Negli ultimi anni, i veicoli elettrici hanno raggiunto uno sviluppo senza precedenti e i Paesi stanno portando avanti attivamente il relativo lavoro di ricerca. Per quanto riguarda i veicoli civili, le principali case automobilistiche continuano a introdurre veicoli ibridi ed elettrici tecnologicamente avanzati e veicoli elettrici puri. Anche per quanto riguarda i veicoli militari, molti Paesi hanno svolto un intenso lavoro di ricerca. Rispetto ai veicoli a trasmissione meccanica, i veicoli elettrici militari presentano i seguenti vantaggi: comoda disposizione del sistema di alimentazione; facilità di avviamento e di accelerazione del veicolo; possibilità di guida silenziosa e di buon occultamento; possibilità di fornire alimentazione ad alta potenza ai sistemi d'arma montati sul veicolo; possibilità di assorbire l'energia di frenata rigenerativa, ecc.

Gli Stati Uniti, la Germania, la Gran Bretagna e altri Paesi hanno lanciato in successione veicoli elettrici militari, come i veicoli blindati elettrici e i veicoli da combattimento della fanteria. Nel rapido sviluppo della tecnologia elettrica, sono emerse anche alcune problematiche, tra cui il forte rumore delle bolle di alimentazione è particolarmente significativo. Le prestazioni e la durata delle batterie di alimentazione influiscono direttamente sulle prestazioni e sul costo dei veicoli elettrici. Attualmente, le principali batterie di alimentazione utilizzate nei veicoli elettrici sono le batterie al piombo, al nichel-cadmio, al nichel-metallo idruro, agli ioni di litio e i supercondensatori.

Le batterie agli ioni di litio hanno gradualmente sostituito le batterie al piombo, al nichel-cadmio e all'idruro di nichel-metallo come principali batterie di potenza per i veicoli elettrici, grazie alla loro elevata potenza specifica, alla grande densità energetica, alla lunga durata, al basso tasso di autoscarica, al lungo tempo di stoccaggio e all'assenza di inquinamento. I veicoli militari devono spesso lavorare in regioni fredde e sono tenuti a lavorare normalmente a -40 ℃. Tuttavia, a basse temperature, le prestazioni di carica e scarica della batteria diminuiscono notevolmente. In questo articolo verranno condotti test a bassa temperatura su una batteria agli ioni di litio da 35 A/h.

1 Test della batteria agli ioni di litio

Apparecchiatura di carica e scarica della batteria, con una tensione massima di 5 V e una precisione di test di 0,1 mV; durante il processo di test, la batteria testata viene collocata in una camera termica per mantenere la temperatura ambiente richiesta per il test. La batteria di prova è un pacco morbido (30cmx16,8cmx1,5cm) da 35 Ah con energia e potenza bilanciate al litio manganese, con una pellicola di alluminio come rivestimento esterno.

2 L'effetto della bassa temperatura sulla tensione della batteria

2.1 Effetto della bassa temperatura sulla tensione di scarica della batteria

Per studiare l'effetto della bassa temperatura sulle prestazioni di scarica delle batterie, la batteria è stata prima caricata ad un tasso di corrente costante e tensione costante di 1/3 C a temperatura ambiente, completamente carica, e poi lasciata riposare in una camera di temperatura per 5 ore. Quindi, la batteria viene scaricata a corrente costante con una tensione di interruzione di 3V. Nell'intervallo di temperatura 0-40 ℃, la batteria viene scaricata a correnti costanti di 10, 35, 70 e 140A, rispettivamente.

I risultati sperimentali mostrano che, a parità di velocità di scarica, la tensione di scarica della batteria diminuisce con la diminuzione della temperatura. Prendendo come esempio la scarica a corrente costante di 10A, rispetto a 20 ℃ a 40 ℃, la tensione media di scarica della batteria diminuisce di 1V, pari al 27% della tensione nominale. Al diminuire della temperatura, la corrente massima che la batteria può scaricare diminuisce gradualmente. A -10 ℃, la batteria può scaricarsi a una corrente costante di 140A, a 0 ℃ può scaricarsi a una corrente costante di 70A, a -30 ℃ può scaricarsi solo a una corrente di 35A e a -40 ℃ può scaricarsi solo a una piccola corrente di 10A.

Quando si scarica a bassa temperatura e ad alta corrente, la curva di scarica mostra uno stato non lineare con evidenti forme a valle e a picco, e la tensione di scarica fluttua notevolmente. Prendendo come esempio la scarica a corrente costante di 70 A, a 20 ℃ e 0 ℃, la curva di scarica è relativamente normale senza alcuna valle o picco.

Quando la temperatura ambientale scende a -10 ℃, la curva di scarica mostra evidenti forme a valle e a picco. Quando la temperatura ambientale scende a -20 ℃, la curva di scarica mostra evidenti forme a valle e a picco, La tensione a entrambe le estremità della batteria è scesa da 4,15 prima della scarica a 3,07V e la caduta di tensione ha raggiunto 1,08V.

Successivamente, la tensione ha iniziato 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, le sostanze attive della batteria non possono essere utilizzate completamente a causa della bassa temperatura della batteria, con conseguente grave polarizzazione degli elettrodi ed elevata resistenza interna della batteria. Pertanto, nella fase iniziale della scarica, la tensione di scarica della batteria diminuisce rapidamente.

Con l'avanzare della scarica, a causa dell'elevata resistenza interna della batteria, si genera una grande quantità di calore all'interno della batteria, che provoca un rapido aumento della temperatura della batteria, attivando la parte di materiale attivo della batteria. Di conseguenza, la tensione di scarica della batteria inizia a salire. Con l'aumento della temperatura della batteria, la resistenza interna della batteria inizia a diminuire e il calore generato diminuisce. Quando la temperatura ambiente rimane a -20 ℃ C, la temperatura della batteria diminuisce e anche la tensione di scarica della batteria diminuisce.

2.2 L'effetto della bassa temperatura sulla tensione di carica della batteria

Per studiare l'effetto della bassa temperatura sulle prestazioni di carica della batteria, la batteria è stata posta a diverse temperature ambientali e caricata a corrente e tensione costanti alla stessa velocità. La batteria è stata prima sottoposta a una scarica a corrente costante a una velocità di 1/3 C a temperatura ambiente, con una tensione di interruzione di 3V. Dopo la scarica, viene lasciata riposare in una camera termica per 5 ore. Quindi viene caricata a una certa velocità a diverse temperature, con una corrente di taglio di 1A per una carica di 10A e di 3A per una carica di 35 e 70A.

Dalle curve di carica a diverse temperature, si può notare che rispetto alle caratteristiche di scarica delle batterie a bassa temperatura, le prestazioni di carica della batteria decadono in modo più significativo. Al di sotto di 0 ℃, la batteria non è più in grado di caricarsi normalmente. A parità di corrente di carica, con la diminuzione della temperatura, la tensione di carica aumenta continuamente durante la fase di carica a corrente costante, soprattutto durante la carica a corrente elevata. Al di sotto di 0 ℃, non si verifica alcun processo di carica a corrente costante. Al momento del caricamento della corrente di carica, la tensione del terminale della batteria aumenta rapidamente fino alla tensione di cut-off di 4,2 V, entrando direttamente nella fase di carica a tensione costante.

3 La bassa temperatura sulla capacità di carica e scarica delle batterie

3.1 Impatto delle basse temperature sulla capacità di scarica delle batterie

Per confrontare il grado di attenuazione della capacità di scarica della batteria a diverse temperature, si utilizza il rapporto di capacità disponibile. Il rapporto di capacità disponibile si riferisce al rapporto tra la capacità di scarica della batteria e la capacità nominale.

A parità di velocità di scarica, al diminuire della temperatura ambiente, il rapporto di capacità disponibile diminuisce rapidamente; quando la temperatura ambiente scende a -20 ℃, la batteria non può scaricarsi a 4 C; quando la temperatura ambiente scende a 30 ℃, il rapporto di capacità disponibile per la scarica a corrente costante a 10 A scende al 60,33% e la batteria non può scaricarsi a 2 C o più; quando la temperatura scende a -40 ℃, il rapporto di capacità disponibile per la scarica a corrente costante a 10 A è solo del 22,31% e non può essere scaricata a 1 C o più.

3.2 Impatto della bassa temperatura sulla capacità di carica della batteria

Alla stessa velocità di carica, con la diminuzione della temperatura ambiente, la capacità di carica a corrente costante della batteria decade rapidamente e l'attenuazione è più grave rispetto alla capacità di scarica disponibile; quando la temperatura scende a 0 ℃, si carica alla velocità di 1 C e la capacità di carica a corrente costante è pari solo al 52,05% della capacità nominale.la capacità di carica a corrente costante è solo il 42,55% della capacità della targa quando viene caricata a 2C; quando la temperatura scende a -10 ℃, è possibile caricare solo il 60,23% della capacità della targa a 10A di corrente costante e non è possibile caricare a 1C e 2C; quando la temperatura è inferiore a -30 ℃, la batteria non può eseguire la carica a corrente costante.

4 Conclusione

(1) In un ambiente a bassa temperatura, a parità di velocità di scarica, la tensione di scarica e la capacità di scarica delle batterie agli ioni di litio diminuiscono significativamente. Rispetto alla scarica, le prestazioni di carica della batteria decadono in modo più significativo e la tensione di carica a corrente costante della batteria aumenta in modo significativo, mentre la capacità di carica diminuisce in modo significativo.

(2) Al diminuire della temperatura, la resistenza interna della batteria durante la carica e la scarica aumenta, soprattutto quando la temperatura è inferiore a -20 ℃.

(3) Analizzando l'intervallo di tensioni di scarica di quattro batterie, è emerso che a temperatura ambiente la consistenza delle batterie a fine scarica si deteriora, mentre al diminuire della temperatura si deteriora la consistenza delle batterie durante l'intero processo di scarica.

(4) Nell'uso pratico, in ambienti a bassa temperatura, è necessario utilizzare un sistema di riscaldamento per riscaldare il pacco batterie per migliorarne le prestazioni.