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Test di resistenza della batteria agli ioni di litio per l'aviazione

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Test di resistenza della batteria agli ioni di litio per l'aviazione

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Le batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto forniscono energia alla maggior parte dei sistemi elettronici. Le prestazioni delle batterie agli ioni di litio influenzano direttamente la sicurezza, la fluidità e l'economia del funzionamento del veicolo spaziale. I requisiti per le prestazioni delle batterie in condizioni di aviazione possono essere suddivisi approssimativamente in tre punti: buona stabilità della temperatura, elevata energia specifica e lunga durata del ciclo. Rispetto alle altre batterie al litio tradizionali, le batterie agli ioni di cobalto presentano molteplici vantaggi, come il funzionamento affidabile in ambienti a bassa temperatura, la stabilità della tensione in uscita, l'elevata energia specifica e i cicli multipli, soddisfacendo i requisiti per condizioni estreme come quelle aerospaziali.

La dimensione della resistenza interna di una batteria determina direttamente la sua capacità e, allo stesso tempo, la resistenza interna di una batteria determina anche la sua efficienza di lavoro. Nell'uso reale delle batterie, la resistenza interna delle batterie agli ioni di litio cambia costantemente in base alle diverse temperature ambientali e alle condizioni SOC. Nella ricerca pratica, la combinazione della curva di variazione della resistenza interna della batteria può stimare con maggiore precisione il SOC effettivo della batteria.

Attraverso test sperimentali, è stato rilevato che, al diminuire della temperatura, la resistenza ohmica e la resistenza di polarizzazione della batteria al fosfato di ferro aumentano gradualmente durante la carica e la scarica. La temperatura è un fattore importante che influenza la resistenza interna delle batterie. La temperatura ambientale ha un impatto significativo sulla capacità delle batterie al litio-fosfato di ferro. A basse temperature, la capacità decade rapidamente, mentre ad alte temperature aumenta rapidamente. Tuttavia, il tasso di variazione è più lento rispetto alle basse temperature.

Considerando la sicurezza delle batterie aerospaziali in uso e la mancanza di ricerche sulle caratteristiche di resistenza interna delle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto da parte degli studiosi, è necessario testare la temperatura delle batterie agli ioni di litio aerospaziali. Questo articolo utilizza 0-50 ℃ per condurre test di resistenza interna sulle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto e utilizza il metodo HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) per testare le batterie ICP 45 Ah in diverse temperature ambientali e stati SOC. I cambiamenti nella resistenza interna delle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto in presenza di diverse temperature ambientali e SOC sono stati studiati in dettaglio.

1 Test

1.1 Soggetti e attrezzature del test

La batteria sperimentale utilizzata è una batteria agli ioni di litio all'ossido di cobalto ICP 45. La capacità nominale della batteria è di 45 Ah e il materiale dell'elettrodo positivo è l'ossido di cobalto. La capacità nominale della batteria è di 45 Ah e il materiale dell'elettrodo positivo è l'ossido di litio e cobalto. Apparecchiature per la carica e la scarica della batteria. Il box a temperatura costante adotta la camera di prova a temperatura e umidità DGBELL.

1.2 Test HPPC e metodo di calcolo della resistenza interna

Esistono molti metodi per testare la resistenza interna delle batterie al litio, tra cui il metodo della curva caratteristica volt ampere, il metodo della tensione a circuito aperto, il metodo della caratteristica di potenza a impulsi misti (HPPC) e il metodo dell'impedenza CA. Questo articolo utilizza il metodo HPPC per testare la resistenza delle batterie al litio, registrato nel progetto Freedom CAR "Power Assisted Hybrid Vehicle Power Battery Test Manual" negli Stati Uniti. Rispetto ad altri metodi di rilevamento della resistenza interna, questo metodo presenta notevoli vantaggi in termini di accuratezza ed efficienza del rilevamento. Il metodo HPPC può essere utilizzato per misurare la resistenza di polarizzazione e la resistenza ohmica delle batterie in vari stati.

In primo luogo, viene applicata una corrente di scarica a impulsi a entrambe le estremità della batteria e la tensione scende a U 1 al momento del caricamento dell'impulso, poi la tendenza alla diminuzione rallenta. Dopo aver continuato a erogare corrente per 10 secondi, il caricamento a impulsi viene annullato al tempo t 2 e la tensione torna immediatamente a U 3. Dopo un'attesa di 40 secondi, la tensione viene ripristinata. Dopo un'attesa di 40 secondi, la tensione si stabilizza a U 4. Il processo a gradini da U 2 a U 3 è originato dalla resistenza ohmica interna della batteria, mentre il processo graduale da U 3 a U 4 è un decadimento della tensione su entrambi i lati della resistenza di polarizzazione e la tensione tende a stabilizzarsi a U 4. L'HPPC calcola la resistenza ohmica e la resistenza di polarizzazione di una batteria verificando le variazioni di tensione durante la fase iniziale di caricamento della corrente. Misurando la tensione nell'esperimento di scarica, calcola la resistenza interna di carica e scarica in diversi stati di carica.

1.3 Fasi del test

Fase 1: Attivare la batteria all'ossido di cobalto e litio attraverso esperimenti di carica e scarica ciclica. La tensione limite superiore di ICP 45 è di 4,15 V e la tensione offline è di 3,0 V. Eseguire tre cicli di carica e scarica, caricando a una velocità di 0,2 C e scaricando a una velocità di 0,1 C. Dopo ogni carica o scarica, lasciare riposare per 12 ore;

Fase 2: iniziare a scaricare la batteria ICP 45 al 100% SOC a una velocità di 0,5 C e registrare il tempo di scarica. Dopo una scarica di 12 minuti (il restante 90% SOC della batteria viene lasciato riposare per 1 ora), avviare il test della caratteristica di potenza a impulsi misti e registrare la tensione a circuito aperto, la corrente di scarica OCV e il tempo;

Fase 3: ripetere i passaggi della seconda fase, registrare la tensione a circuito aperto e la corrente di scarica della batteria al 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% e 0% a diversi SOC e calcolare la resistenza ohmica e la resistenza di polarizzazione; Fase 4: spegnere il carico elettronico e l'alimentazione di carica, scollegare il relè e inviare i dati a un foglio di calcolo Excel.

2 Risultati del test e analisi

2.1 Analisi delle caratteristiche della resistenza interna ohmica

La resistenza interna delle batterie all'ossido di cobalto e litio è composta dalla resistenza interna ohmica e dalla resistenza interna di polarizzazione. Dall'analisi dei dati sperimentali si può concludere che, al diminuire della temperatura, la resistenza interna ohmica aumenta continuamente. Il motivo principale è che la resistenza interna ohmica delle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto è composta principalmente dall'elettrolita, dai connettori elettrici e dagli elettrodi positivo e negativo. Quando la temperatura ambiente è bassa, la solubilità degli ioni di litio nell'elettrolita all'interno della batteria agli ioni di litio all'ossido di cobalto diminuisce rapidamente, facendo precipitare gli ioni di litio nell'elettrolita, riducendo la concentrazione di ioni di litio per unità di volume, rallentando la velocità di diffusione degli ioni di litio nell'elettrolita e aumentando la resistenza ohmica interna della batteria.

Abbiamo confrontato le caratteristiche di variazione della resistenza interna ohmica con il SOC a 0, 10, 20, 30 ℃ e 50 ℃ e abbiamo scoperto che il SOC delle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto varia lentamente all'interno dell'intervallo operativo (20%, 100%) a temperature ambiente superiori a 20 ℃. Ad esempio, in condizioni di 30 ℃, la resistenza ohmica interna delle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto rimane stabile a 0,7 m Ω durante il normale funzionamento. Pertanto, la resistenza ohmica interna della batteria in questo intervallo di temperatura a SOC (20%, 100%) può essere considerata un valore costante.

La resistenza interna ohmica è estremamente sensibile alle variazioni di temperatura ambientale e, quando la temperatura è inferiore a 10 ℃, la resistenza interna ohmica della batteria varia significativamente con il SOC della batteria. Quando il SOC della batteria è elevato, il movimento degli ioni all'interno della batteria è più attivo, il che compensa la diminuzione dell'attività dell'elettrolita e ha un impatto minore sulla resistenza ohmica. Tuttavia, quando il SOC della batteria diminuisce, anche l'energia ionica interna della batteria diminuisce, portando a un rapido aumento della resistenza ohmica. Attraverso le due curve di 10 ℃ e 0 ℃, si può notare che al diminuire della temperatura, la resistenza interna ohmica aumenta più rapidamente con l'aumento del SOC della batteria.

2.2 Analisi delle caratteristiche della resistenza interna di polarizzazione e della resistenza interna totale

Possiamo concludere che la resistenza di polarizzazione delle batterie è influenzata principalmente dalla temperatura, il che è legato al rallentamento della velocità di diffusione della concentrazione alle basse temperature. A 0 ℃, la resistenza di polarizzazione della batteria è quasi tre volte quella di 50 ℃ nelle stesse condizioni. Alla stessa temperatura, la resistenza di polarizzazione della batteria varia molto poco, soprattutto quando il SOC è compreso nell'intervallo (20%, 90%), e la resistenza di polarizzazione della batteria può essere considerata un valore costante.

La resistenza di polarizzazione delle batterie agli ioni di litio all'ossido di cobalto aumenta con la diminuzione del SOC della batteria nell'intervallo (0%, 20%). La resistenza interna di polarizzazione delle batterie agli ioni di litio con ossido di cobalto aumenta con la diminuzione della temperatura. Questo perché l'attività del litio dissociato a valle della batteria agli ioni di litio all'ossido di cobalto diminuisce a basse temperature, rendendo difficile la deintercalazione all'elettrodo negativo, con conseguente aumento della resistenza interna di polarizzazione della batteria. Quando la temperatura è elevata, l'energia degli ioni di litio nell'elettrodo negativo della batteria è alta, il che accelera la velocità di diffusione degli ioni

Con un SOC compreso tra 0% e 20%, la resistenza ohmica e la resistenza di polarizzazione delle batterie agli ioni di litio aumentano gradualmente con la diminuzione del SOC. Tuttavia, l'aumento della resistenza interna ohmica al diminuire del SOC è significativamente maggiore di quello della resistenza interna di polarizzazione, a indicare che la resistenza interna ohmica è più sensibile al SOC della batteria. A parità di SOC, sia la resistenza di polarizzazione che la resistenza ohmica aumentano gradualmente con la diminuzione della temperatura. Attraverso l'analisi dei dati, si scopre che l'ampiezza della resistenza di polarizzazione che aumenta con la diminuzione della temperatura è significativamente maggiore di quella della resistenza ohmica, indicando che la resistenza di polarizzazione è più sensibile alle basse temperature.

Quando la temperatura è bassa, la resistenza interna di polarizzazione della batteria è relativamente alta, ma rappresenta solo un quarto della resistenza interna totale della batteria e il suo impatto sulla capacità e sull'efficienza di lavoro della batteria è relativamente limitato. Sebbene la resistenza di polarizzazione della batteria aumenti di oltre due volte a basse temperature rispetto alla temperatura ambiente, rispetto ad altre resistenze, in particolare le batterie al litio ferro fosfato o al piombo, la resistenza di polarizzazione delle batterie al litio ferro ossido di cobalto ha ancora una buona stabilità alla temperatura.

Analizzando la relazione tra la resistenza interna della batteria e il SOC, si conclude che nell'intervallo di SOC (0%, 20%), la resistenza interna totale della batteria aumenterà con la diminuzione del SOC della batteria. Un'elevata resistenza interna porterà a un aumento della generazione di calore della batteria e ne ridurrà la durata. L'uso improprio della batteria ne provoca l'eccessiva scarica e l'inutilizzabilità. Pertanto, per prolungare la durata della batteria, si consiglia di mantenerla in funzione entro un intervallo di SOC compreso tra il 30% e il 100%.

Analizzando la relazione tra la temperatura e la resistenza interna della batteria, si conclude che la resistenza interna della batteria aumenta con la diminuzione della temperatura e un aumento della resistenza interna della batteria porta a una diminuzione della capacità della batteria. Per garantire l'efficienza della batteria, è consigliabile mantenerla il più possibile al di sopra dei 10 ℃. Quando la temperatura è inferiore a 10 ℃, per evitare l'impatto delle basse temperature sull'efficienza della batteria, è necessario riscaldare il pacco batteria prima di avviarlo. Poiché la batteria genera calore durante il funzionamento, non è necessario riscaldare la batteria durante il funzionamento.

3 Conclusioni

Questo articolo conduce esperimenti sulle batterie all'ossido di cobalto e litio per l'aviazione, analizza le variazioni della resistenza ohmica e della resistenza interna di polarizzazione delle batterie a diversi SOC e temperature e riassume le ragioni dei cambiamenti corrispondenti. La resistenza di polarizzazione e la resistenza ohmica delle batterie agli ioni di litio con acido di perforazione aumentano con la diminuzione della temperatura. La resistenza di polarizzazione è più sensibile alla temperatura, mentre la resistenza ohmica è influenzata dalla temperatura e dal SOC. Poiché la resistenza di polarizzazione delle batterie all'ossido di cobalto aumenta con la diminuzione della temperatura, è necessario riscaldare il pacco batterie a basse temperature per migliorarne la capacità e l'efficienza.