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Test di uniformità termica delle batterie agli ioni di litio

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Test di uniformità termica delle batterie agli ioni di litio

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Durante il processo di guida dei veicoli elettrici, la batteria di bordo si carica e si scarica continuamente, generando una grande quantità di calore. La temperatura della batteria ha un impatto significativo sul tasso di reazione elettrochimica, sulla capacità di accettazione della carica, sulla sicurezza, sulla durata del ciclo, sulla potenza specifica e sull'energia specifica.

Allo stesso tempo, a causa delle diverse condizioni esterne di dissipazione del calore, dei metodi di gestione termica e delle singole posizioni spaziali della batteria, le differenze di temperatura tra le diverse parti dei monomeri all'interno del pacco batteria e tra i diversi monomeri possono compromettere seriamente la coerenza delle prestazioni del pacco batteria.

Pertanto, è necessario adottare misure di trasferimento del calore potenziate all'interno del pacco batteria per migliorare l'uniformità della temperatura della superficie dei monomeri e dell'insieme. I fogli di grafite ad alta conducibilità termica GTS, con la loro bassa densità, il basso coefficiente di espansione termica e la superficie relativamente morbida, possono ridurre efficacemente la resistenza termica di contatto, rendendoli un nuovo tipo ideale di materiale di carbonio ad alta conducibilità termica

Questo articolo prende come oggetto di ricerca le batterie quadrate agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici. È stato realizzato un pacco batteria di controllo con e senza GTS ed è stato costruito un banco di prova dell'effetto termico per il pacco batteria. Analizzando le variazioni della differenza di temperatura tra la superficie delle celle della batteria e le diverse posizioni del pacco batteria durante la scarica a corrente costante, è stato studiato l'effetto del GTS sul miglioramento dell'uniformità termica dei pacchi batteria agli ioni di litio

1 Test

1.1 parametro della batteria

Dimensioni: 180 mm x 100 mm x 32 mm

Peso: 1250 g

Tensione: 3,2 V

Capacità: 40 Ah

Resistenza interna: ≤2Ω

1.2 Progettazione strutturale del pacco batterie

Per verificare l'effetto del GTS sull'uniformità termica dei monomeri e dei pacchi batteria agli ioni di litio, sono stati prodotti due tipi di pacchi batteria con e senza GTS. Il pacco batterie A consisteva in sei batterie al litio ferro fosfato collegate in serie, con sensori di temperatura attaccati alla superficie dei monomeri e materiale isolante in PET alla periferia. Il pacco batteria B è servito come gruppo sperimentale di controllo per il pacco batteria A. Il GTS è stato distribuito uniformemente sul lato di ogni cella della batteria, per un totale di 7 pezzi. Le dimensioni di ogni GTS sono 180 mm x 0,27 mm x 100 mm. Per ridurre l'impatto del flusso d'aria sopra l'incubatore sulla distribuzione della temperatura all'interno del pacco batteria, è stato installato un coperchio sopra il pacco batteria per sigillarlo durante l'esperimento.

1.3 Apparecchiatura di prova

È stato costruito un banco di prova per testare l'efficienza termica dei pacchi batteria durante i processi di carica e scarica. Tra questi, il carico elettronico è una batteria. La camera a temperatura costante è una camera di prova per umidità ad alta e bassa temperatura DGBELL, con una fluttuazione di temperatura di 0,3 ℃ {-40~100 ℃). Lo strumento di acquisizione della temperatura a termocoppia: Il sensore di temperatura è una termocoppia di tipo K, con una precisione di ± 0,5 ℃.

1.4 Processo di prova

Costruire un banco di prova e scrivere un programma di controllo della scarica a corrente costante della batteria. Prima del test, la tensione totale delle sei batterie era di 19,62 V e la temperatura dell'incubatore era impostata a 18 ℃. Quando la temperatura del punto di misurazione della termocoppia si è avvicinata a 18 ℃ e si è stabilizzata, è stata avviata la scarica a corrente costante di 1 C (I= - 40 A). Durante questo periodo, la frequenza di campionamento del collettore del segnale della termocoppia era di 4 secondi. Dopo la tensione di taglio di

15.6 V, la scarica a corrente costante a 1 C è stata interrotta e i dati sono stati salvati.

2 Risultati del test e analisi

2.1 Uniformità termica della superficie della cella della batteria

Durante il funzionamento delle batterie agli ioni di litio, le orecchie polari e il centro della batteria sono punti rappresentativi della temperatura. Pertanto, per studiare la differenza di temperatura nella direzione orizzontale della cella della batteria, si selezionano due punti di misurazione simmetrici vicino all'orecchio positivo e negativo. Selezionare due punti di misurazione sulla linea mediana verticale della superficie della cella della batteria, situati al centro della batteria e vicino alla parte superiore della batteria, per studiare la differenza di temperatura in direzione verticale

Quando si scarica a una velocità di 1 C, analizzando la relazione tra il valore assoluto della differenza di temperatura nella direzione orizzontale della superficie della singola cella della batteria e il tempo di scarica, si può notare che la temperatura sui lati sinistro e destro della direzione orizzontale della superficie della singola cella del pacco batteria A è irregolare, con una differenza di temperatura di circa 0,18 ℃. Tuttavia, la differenza di temperatura nella direzione orizzontale della superficie della cella singola del pacco batteria B è solo di circa 0,05 ℃, ovvero il 70% in meno rispetto al pacco batteria A, il che indica che il GTS può svolgere un ruolo nella distribuzione del calore da impatto orizzontale.

Quando si scarica a una velocità di 1 C, analizzando il grafico di dispersione della differenza di temperatura assoluta in direzione verticale sulla superficie della cella della batteria, si può notare che la variazione di temperatura in direzione verticale della singola superficie del pacco batteria A è più grave e la differenza di temperatura massima raggiunge 0,45 ℃. La differenza di temperatura in direzione verticale della singola superficie del pacco batteria B continua a mantenersi intorno a 0,05 ℃. Dopo 2700 secondi, la differenza di temperatura inizia ad aumentare con l'accumulo di calore, con un valore massimo di 0,26 ℃, ma solo il 58% di quello del pacco batteria A. Ciò indica che il GTS può anche svolgere un ruolo nella distribuzione media del calore in direzione verticale.

Dal confronto si evince che durante la scarica a 1 C, la differenza di temperatura orizzontale sulla superficie della cella della batteria è minore di quella verticale e la fluttuazione della differenza di temperatura verticale è più forte, il che è legato alla struttura e alle dimensioni fisiche della batteria. Dopo aver posizionato il GTS sulla superficie della cella della batteria, la differenza di temperatura tra le direzioni orizzontali e verticali sulla superficie della cella è simile e si mantiene entro un intervallo ridotto, indicando che il GTS può migliorare efficacemente l'uniformità termica della superficie della cella.

2.2 Uniformità termica interna del pacco batterie

I quattro gruppi di valori di differenza di temperatura sono più piccoli, il che indica che quando la batteria non è in funzione, il GTS è in grado di migliorare l'uniformità della temperatura del pacco batteria, a vantaggio del prolungamento della durata di conservazione della batteria. Con l'intensificarsi della scarica, il calore interno del pacco batteria si accumula gradualmente e il valore della differenza di temperatura generalmente aumenta. Tuttavia, rispetto al pacco batteria A, l'andamento della differenza di temperatura del pacco batteria B è più costante e il valore massimo della differenza di temperatura è inferiore (0,41 ℃), mentre quello del pacco batteria A è di 0,47 ℃.

Quanto minore è la differenza di temperatura media, tanto migliore è l'uniformità della temperatura all'interno del pacco batteria. Dai dati sperimentali, si può notare che prima di 2600 s, la differenza di temperatura media nel pacco batteria B era minore e l'aumento era relativamente delicato, indicando che il GTS può migliorare l'uniformità termica dell'intero pacco batteria.

Il grafico di dispersione della varianza mostra che maggiore è il valore della varianza, maggiore è la dispersione dei valori di misurazione della temperatura delle cinque termocoppie in quel momento, il che significa che l'uniformità della temperatura del pacco batteria è peggiore. Il valore di varianza del pacco batteria B rimane intorno a 0,18, con un valore massimo di solo 0,36. La varianza massima del pacco batteria A raggiunge 120, pari a 3,33 volte quella del pacco batteria B, indicando che il GTS può migliorare efficacemente l'uniformità della temperatura all'interno del pacco batteria

3 Conclusioni

Confrontando e analizzando la differenza di temperatura superficiale dei pacchi batteria con e senza GTS in condizioni di scarica a corrente costante di 1 C, è stato studiato l'effetto dei fogli di grafite ad alta conducibilità termica sul miglioramento dell'uniformità di temperatura delle batterie quadrate. Sono state tratte le seguenti conclusioni.

(1) Durante il processo di scarica, la differenza di temperatura orizzontale sulla superficie della cella della batteria è inferiore alla differenza di temperatura verticale, il che significa che i fogli di grafite ad alta conducibilità termica possono ridurre efficacemente questa differenza, bilanciare il calore tra le diverse parti della superficie della cella della batteria e migliorare l'uniformità termica della superficie della cella della batteria.

(2) Come misura di potenziamento del trasferimento di calore, i fogli di grafite ad alta conducibilità termica possono migliorare efficacemente l'uniformità termica all'interno del pacco batterie e possono essere utilizzati come misura ausiliaria di potenziamento del trasferimento di calore per i sistemi di gestione termica dei pacchi batterie per autoveicoli, come l'uso di materiali a cambiamento di fase per le piastre di raffreddamento, al fine di bilanciare la distribuzione del calore del pacco batterie e migliorare le prestazioni del sistema di gestione termica