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Test della batteria al litio EV a bassa temperatura

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Test della batteria al litio EV a bassa temperatura

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Con il continuo sviluppo della tecnologia delle batterie di potenza, le batterie al litio ferro fosfato sono riconosciute come la fonte di energia elettrochimica più promettente grazie alla loro elevata sicurezza, alla lunga durata del ciclo, all'alta densità di energia e alla piattaforma ad alta tensione, e sono state ampiamente utilizzate nel campo dei veicoli elettrici. Le batterie di potenza sono la fonte diretta di energia per i veicoli elettrici e un componente fondamentale dei veicoli elettrici. In assenza di progressi significativi nella tecnologia delle batterie in un breve periodo di tempo, l'esplorazione e il miglioramento delle prestazioni delle batterie sono diventati una direzione di ricerca fondamentale.

La temperatura della batteria è un fattore importante che influisce sulle prestazioni delle batterie di potenza. Le batterie al litio ferro fosfato hanno prestazioni eccellenti a temperatura ambiente. Quando la batteria agli ioni di litio funziona a temperature inferiori a 0 ℃, le sue prestazioni di scarica si deteriorano notevolmente. Con l'avanzare del ciclo di carica e scarica, la capacità della batteria subisce un decadimento irreversibile. Nello studio delle caratteristiche e dei meccanismi a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio, una temperatura troppo bassa può portare alla cristallizzazione degli elettroliti liquidi, che rallenta il tasso di migrazione degli ioni di litio tra gli elettrodi positivi e negativi, con conseguente peggioramento delle caratteristiche di carica e scarica a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio.

Per quanto riguarda l'analisi delle prestazioni a bassa temperatura delle batterie agli ioni di litio, i ricercatori nazionali e internazionali hanno condotto ricerche approfondite, tra cui l'analisi dei primi principi, l'analisi della spettroscopia di impedenza elettrochimica e l'analisi delle prestazioni di carica e scarica. Stabilire un modello termico per le batterie al litio ferro fosfato è un metodo importante per studiarne le caratteristiche a bassa temperatura. Attualmente esistono tre tipi principali di modelli termici per le batterie agli ioni di litio: il modello di accoppiamento elettrotermico, il modello di accoppiamento termico elettrochimico e il modello di abuso termico.

Questo articolo si concentra sull'analisi delle prestazioni a bassa temperatura delle batterie al litio-ferro-fosfato e sulla simulazione dei modelli termici delle batterie, con particolare attenzione alle prestazioni a bassa temperatura delle batterie elettriche al litio-ferro-fosfato. L'obiettivo è ottenere in modo sistematico e completo le caratteristiche a bassa temperatura delle batterie al litio ferro fosfato, fornendo una base teorica per la loro applicazione nel campo dei veicoli elettrici.

1 Test a bassa temperatura e analisi delle caratteristiche dinamiche

1.1 Progettazione del test per le prestazioni a bassa temperatura delle batterie

Le fasi sperimentali comprendono principalmente due parti: test di capacità standard a diverse temperature e test delle caratteristiche dinamiche. Le fasi sperimentali possono essere riassunte come segue:

(1) Selezionare una batteria singola nuova di zecca come oggetto sperimentale e collocarla in una camera termica. Impostare la temperatura a 25℃, lasciarla riposare per 2 ore e utilizzare una scarica a corrente costante di 1 C per scaricare la batteria fino alla tensione di taglio di 2,5 V

(2) Impostare la temperatura dell'incubatore sul valore corrispondente alla temperatura sperimentale, lasciarlo riposare per 2 ore ed eseguire un test di capacità standard sulla batteria. Il test di capacità standard comprende due fasi: carica a corrente costante e tensione costante (CCCV, constant current constant voltage, constant current 0,5 C, constant voltage 3,65 V, cut-off current 0,01 C) e scarica a corrente costante di 1 C con una tensione di taglio di 2,5 V. Questa fase viene utilizzata per ottenere la capacità di carica e scarica della batteria alla temperatura ambiente attuale;

(3) Impostare la temperatura dell'incubatore a 25 ℃, lasciarla riposare per 2 ore e utilizzare il metodo di carica a corrente costante e tensione costante (CCCV, corrente costante 0,5 C, tensione costante 3,65 V, corrente di taglio 0,01 C) per caricare completamente la batteria

(4) Per confrontare le prestazioni della batteria a diverse temperature, le fasi sperimentali sopra descritte sono state ripetute rispettivamente a -15, 0, 10, 25 e 40 ℃.

Una piattaforma sperimentale per il test delle prestazioni delle batterie agli ioni di litio a bassa temperatura, comprendente in particolare una camera ad alta e bassa temperatura per il controllo della temperatura nell'ambiente sperimentale: un sistema di test della batteria per il test delle prestazioni della batteria; una batteria a cella singola al litio ferro fosfato, come oggetto del test; un software per computer superiore, utilizzato per la programmazione del metodo di test della batteria e la registrazione dei dati del test della batteria. La batteria a cella singola utilizzata nell'esperimento è una batteria soft pack al litio ferro fosfato con una capacità nominale di 40 Ah.

1.2 Caratteristiche dinamiche a bassa temperatura

Sulla base dei dati sperimentali delle prestazioni a bassa temperatura delle batterie, si ottengono le curve di carica e scarica delle batterie al litio ferro fosfato a diverse temperature. La carica della batteria adotta un metodo di carica a corrente e tensione costante. La corrente di carica nella fase a corrente costante è di 0,5 C e la tensione di carica nella fase a tensione costante è di 3,65 V. Quando la corrente di carica è inferiore a 0,01 C, la carica si interrompe; la scarica della batteria adotta una scarica a corrente costante di 1 C e si interrompe quando la tensione terminale della batteria scende a 2,50 V. Si può notare che le caratteristiche di carica e scarica di una batteria sono fortemente influenzate dalla temperatura. Più bassa è la temperatura, più ripide sono le caratteristiche di carica e scarica della batteria e minore è la capacità di carica e scarica disponibile della batteria.

Analisi quantitativa delle curve di carica e scarica delle batterie al litio ferro fosfato per ottenere gli intervalli di carica e scarica disponibili per le batterie a diverse temperature. Si può notare che più bassa è la temperatura, minore è l'intervallo di carica e scarica disponibile della batteria. Quando la batteria opera a una temperatura ambiente di -15 ℃, l'intervallo di carica e scarica disponibile della batteria rappresenta solo il 22,2% della capacità nominale, il che non può più soddisfare i normali requisiti di lavoro della batteria di potenza. Inoltre, quando la batteria funziona a 40 ℃, il limite massimo di ricarica misurato della batteria può raggiungere il 110%. Questo perché più alta è la temperatura, maggiore è l'energia libera di Gibbs della reazione elettrochimica nella batteria, maggiore è il lavoro elettrico svolto e la corrispondente capacità di ricarica.

Va notato che il SOC è una quantità relativa che deve essere definita in anticipo. Questo articolo lo definisce come segue: utilizzando il metodo di scarica a corrente costante di 0,01 C, la batteria viene scaricata a 2,50 V e lo stato alla tensione di taglio è definito come 0% SOC; utilizzando il metodo di carica a corrente e tensione costante (CCCV, corrente costante 0,5 C, tensione costante 3,65 V, corrente di taglio 0,01 C), lo stato della batteria quando viene caricata alla corrente di taglio 0,01 C è definito come 100% SOC; Le definizioni di cui sopra sono tutte condotte a temperatura ambiente di 25 ℃.

2 Identificazione dei parametri del modello termico

2.1 Identificazione dei parametri termofisici della batteria

Sulla base del modello della batteria, si identificano i parametri del modello attraverso esperimenti di carica e scarica della batteria. Durante l'esperimento, ponendo la batteria in un ambiente di 20 ℃, si può presumere approssimativamente che vi sia solo un trasferimento di calore per convezione naturale sulla superficie della batteria. Gli esperimenti di carica e scarica sono stati condotti a 1 C, 1,5 C, 2 C e 2,5 C, con tensioni di taglio di 3,65 e 250 V, rispettivamente. La reazione di carica di una batteria è un processo endotermico, mentre la reazione di scarica è un processo esotermico. Poiché i valori assoluti del calore di reazione durante i processi di carica e scarica sono gli stessi, viene analizzato solo il processo di scarica.

Il grafico della curva della temperatura della superficie della batteria nel tempo a diverse velocità di scarica. Si può notare che i valori di misurazione della temperatura presentano piccole fluttuazioni, causate principalmente dall'elevata sensibilità della termocamera, dai punti di campionamento multipli e dall'influenza della luce ambientale. Queste piccole fluttuazioni non influiscono sull'andamento generale delle variazioni di temperatura. Utilizzando metodi numerici per calcolare le pendenze di ciascuna curva, le pendenze delle quattro curve possono essere adattate a una linea retta e, in base alla formula, è possibile calcolare la capacità termica specifica della batteria C=-0,00333.

2.2 Identificazione della resistenza interna della batteria

Poiché il calore Joule causato dalla resistenza interna della batteria è la principale fonte di calore, per analizzare a fondo il calore Joule durante il processo di reazione della batteria è necessario identificare i valori della resistenza interna della batteria a diverse temperature. Eseguire un test HPPC (Hybrid Pulse Power Characteristic Test) sulla batteria ogni 10% SOC alle temperature sperimentali di -15, 0, 10, 25 e 40 ℃.

Sulla base dei dati del test, viene utilizzato l'algoritmo dei minimi quadrati per identificare la resistenza interna della batteria in ogni punto del test. A diverse temperature, è stata identificata la curva di relazione tra il valore della resistenza interna della batteria e il SOC. Si può notare che la temperatura ambientale ha un impatto significativo sulla resistenza interna della batteria, e più bassa è la temperatura ambientale, maggiore è la resistenza interna della batteria.

3 Simulazione del modello termico

3.1 Verifica del modello termico della batteria

Per verificare l'accuratezza del modello, è stato convalidato attraverso esperimenti di temperatura basati sulla struttura del modello termico della batteria e sui parametri del modello descritti in precedenza. L'esperimento è stato condotto a una temperatura ambiente di 24,8 ℃. Durante l'esperimento, la batteria è stata scaricata a una velocità di scarica di 0,5 C e la temperatura al centro della superficie della batteria è stata rilevata in tempo reale utilizzando un sensore di temperatura a resistenza di platino ad alta precisione.

Il modello termico della batteria ha un'elevata precisione ed è in grado di simulare l'effettivo processo di reazione di generazione di calore della batteria. Man mano che la reazione di scarica della batteria procede, la temperatura al centro della superficie della batteria aumenta gradualmente. Grazie alla presenza del trasferimento di calore per convezione naturale, la temperatura al centro della superficie della batteria raggiunge gradualmente un andamento stabile nel tempo.

3.2 Caratteristiche termofisiche a bassa temperatura

Mappa di distribuzione della temperatura superficiale simulata della batteria quando si scarica a una velocità di 0,5 C fino a una tensione di cut-off di 2,5 V a diverse temperature ambientali. Si può notare che, a causa dell'effetto di generazione di calore durante il processo di reazione elettrochimica, la temperatura superficiale della batteria è superiore alla temperatura ambiente e anche la temperatura minima della superficie della batteria presenta differenze significative a diverse temperature ambientali. Il motivo di questo fenomeno è che, al diminuire della temperatura, la resistenza interna della batteria aumenta con un andamento approssimativamente esponenziale.

A temperature ambiente più basse, la resistenza interna della batteria aumenta in modo significativo. Quando all'interno della batteria si verifica la stessa velocità di reazione di scarica, il fenomeno della generazione di calore dovuto alla resistenza interna aumenta in modo significativo. Pertanto, in base alle condizioni al contorno del trasferimento di calore convettivo nelle batterie, la temperatura superficiale della batteria sarà superiore alla temperatura ambiente.

Allo stesso tempo, si può notare che la temperatura nella parte superiore della batteria, in particolare nell'orecchio del polo, è notevolmente aumentata rispetto alle altre parti e che esiste un gradiente di temperatura significativo dall'orecchio del polo alla parte inferiore della batteria. Ciò è determinato principalmente dalle proprietà termofisiche del materiale della batteria. La cella della batteria è composta da vari materiali anisotropi e gli elettrodi positivi e negativi della batteria sono fatti rispettivamente di alluminio e nichel. Quando la corrente scorre attraverso le orecchie degli elettrodi, l'area della sezione trasversale diminuisce significativamente e la resistenza interna aumenta notevolmente. L'effetto termico della resistenza interna alle orecchie degli elettrodi è significativamente superiore a quello del nucleo della batteria. Pertanto, nel processo di reazione elettrochimica della batteria, la maggior parte del calore viene generato nelle orecchie degli elettrodi e il calore viene trasferito dalle orecchie degli elettrodi alla cella attraverso la conduzione termica, formando un chiaro gradiente di temperatura.

4 Conclusioni

Questo articolo analizza le caratteristiche a bassa temperatura delle batterie al litio ferro fosfato per veicoli elettrici. In primo luogo, sono stati progettati e condotti esperimenti sulle prestazioni a bassa temperatura delle batterie. I risultati sperimentali hanno mostrato che le caratteristiche di carica e scarica delle batterie sono fortemente influenzate dalla temperatura. Più bassa è la temperatura, più ripide sono le caratteristiche di carica e scarica delle batterie e minore è la capacità di carica e scarica disponibile delle batterie. In secondo luogo, sono stati definiti un modello termico e un metodo di identificazione dei parametri a bassa temperatura per le batterie al litio ferro fosfato. Infine, è stato condotto uno studio di simulazione sul modello termico delle batterie al litio ferro fosfato.

I risultati della simulazione dimostrano che il modello termico della batteria proposto in questo lavoro ha un'elevata precisione e può simulare l'effettivo processo di reazione di generazione del calore della batteria. Nel processo di reazione elettrochimica delle batterie, la maggior parte del calore viene generato nelle orecchie degli elettrodi e il calore viene trasferito dalle orecchie degli elettrodi alla cella attraverso la conduzione termica, formando un gradiente di temperatura significativo. Quando la temperatura ambiente diminuisce, la differenza di temperatura tra la superficie della batteria e la temperatura ambiente diventa maggiore e il gradiente di temperatura nella parte inferiore della superficie della batteria aumenta gradualmente.