Test termico del pacco batteria al litio

Test termico del pacco batteria al litio

Il pacco batteria è il componente più importante di un veicolo elettrico, poiché fornisce energia per il suo funzionamento e le sue prestazioni influiscono direttamente sulle prestazioni di lavoro del veicolo elettrico. Avere prestazioni di sicurezza affidabili è un requisito fondamentale per le batterie utilizzate nei veicoli elettrici. Durante il processo di carica e scarica delle batterie si generano diversi stress dovuti a reazioni elettrochimiche accompagnate da una grande quantità di calore. Soprattutto quando la corrente di carica e scarica è troppo grande, è più probabile che si producano effetti di polarizzazione, causando un aumento artificiale della tensione della batteria e, allo stesso tempo, la generazione di calore aumenterà in modo significativo e l'effetto termico sarà migliorato. Il rapido aumento del calore interno della batteria causerà danni irreversibili agli ioni della sostanza attiva all'interno della batteria, compromettendo gravemente le prestazioni della batteria e riducendone notevolmente la durata. Pertanto, l’analisi delle caratteristiche termiche dei pacchi batteria è utile per l’uso sicuro dei veicoli elettrici.

1 Simulazione del pacco batteria

La resistenza interna di un singolo pacco batterie al litio ferro fosfato per veicoli elettrici è di 7 mΩ, la capacità della batteria è di 10 A • h, la tensione di interruzione della carica è di 4.23 V e la lunghezza, larghezza e altezza del singolo pacco la batteria con una massa di 0.27 kg è rispettivamente 65 mm, 22 mm e 104 mm; Il raggio del palo è 2.25 mm e l'altezza è 6.00 mm. Il pacco batteria è in quattro paralleli e dodici serie. La corrente di scarica totale alla velocità di 1 C è 40 A, e la corrente effettiva attraverso una singola batteria è 10 A. Definizione di un modello termico del pacco batteria da parte di ANSYS.

1.1 Condizioni al contorno del campo di flusso di calore nella camera della batteria

Il campo di flusso termico all'interno della camera della batteria viene risolto utilizzando un campo di accoppiamento termico del fluido. Le condizioni di trasferimento di calore convettivo possono essere utilizzate direttamente nel campo di flusso, senza la necessità di impostare condizioni al contorno per il campo termico. Le condizioni al contorno di importazione ed esportazione includono temperatura, velocità dell'aria e pressione dell'aria. Impostare la temperatura di ingresso sulla temperatura ambiente di 20 ℃ e la pressione di uscita su 0. La portata d'aria è uno dei principali fattori che influenzano la dissipazione del calore del vano batteria. Questo articolo studierà gli effetti della ventilazione naturale e della ventilazione forzata sulle caratteristiche termiche delle batterie. A causa della piccola differenza di temperatura tra la camera e l'esterno e del piccolo scambio di calore con l'esterno, la condizione al contorno della parete è impostata come confine adiabatico a temperatura costante.

1.2 Analisi delle caratteristiche termiche del pacco batterie al litio ferro fosfato

1) In condizioni di scarica di corrente costante alla velocità di 1 C a una temperatura ambiente di 20 ℃, la temperatura massima del pacco batteria è 32 ℃, la temperatura minima è 26 ℃ e la differenza di temperatura è 6 ℃. La temperatura più bassa si verifica sul bordo del pacco batteria. Questi luoghi sono generalmente ben ventilati, consentendo un trasferimento di calore convettivo più sufficiente; La temperatura più alta si verifica nella posizione centrale all'interno della singola batteria. A causa della mancanza di collegamento diretto con il mondo esterno, la conduzione termica può fare affidamento solo sul polimero e sull'elettrolita all'interno della batteria, che possono facilmente causare un accumulo di temperatura. Pertanto, la temperatura nella posizione centrale è leggermente superiore a quella nella posizione periferica

2) Quando si scarica a una velocità di corrente costante di 2 C a una temperatura ambiente di 20 ℃, la temperatura massima della batteria è 43 ℃, la temperatura minima è 31 ℃ e la differenza di temperatura è 12 ℃. La temperatura più bassa si verifica sul bordo del pacco batteria, mentre la temperatura più alta si verifica nel nucleo interno della singola batteria. Perché la differenza di temperatura complessiva all'interno del pacco batteria supera la differenza di temperatura standard progettata (10 ℃). Se la scarica a 2 C viene utilizzata per un lungo periodo per l'avviamento, la salita, l'accelerazione, ecc., ciò influirà sulla durata della batteria.

2 Test termico

L'esperimento sul campo della temperatura delle batterie al litio ferro fosfato per veicoli elettrici può misurare la differenza di temperatura nei punti tipici del pacco batteria. Non solo possiamo comprendere l’effettiva distribuzione della temperatura e l’aumento della temperatura delle batterie al litio ferro fosfato. Allo stesso tempo, l'accuratezza dei risultati dei calcoli di simulazione può essere verificata anche sulla base di dati sperimentali. Fornire una base affidabile per la progettazione della gestione termica dei pacchi batteria.

Per misurare con precisione la temperatura superficiale effettiva del pacco batteria nel vano batteria a diverse velocità di scarica. La testa del sensore di temperatura deve aderire saldamente alla superficie laterale del pacco batteria. Per ridurre al minimo gli errori di lettura della temperatura senza influenzare il flusso d'aria all'interno del vano batteria.

Posizionare un sensore di temperatura nel punto centrale A sul lato del pacco batteria. Posizionare un sensore di temperatura sul bordo B sul lato del pacco batteria. Condurre test di scarica rispettivamente a velocità di scarica di 1 C e 2 C. Per garantire l'accuratezza dell'esperimento, sono stati condotti 5 test a diverse velocità di scarico e per i 5 test è stata rilevata contemporaneamente la temperatura media più alta.

Confrontando e analizzando i risultati sperimentali e di simulazione, si può vedere che l'errore tra i risultati della simulazione e quelli sperimentali è compreso tra l'8%, indicando che il modello di simulazione della batteria al litio stabilito in questo documento è accurato e pratico e può essere utilizzato per migliorare la gestione termica dei pacchi batteria

3 Miglioramento della gestione termica

I veicoli elettrici richiedono una scarica ad alta corrente della batteria durante l'accelerazione, la salita in collina e altre condizioni di lavoro. In questo momento, la corrente all'interno della batteria aumenta in modo esponenziale e anche il campo di temperatura all'interno della batteria cambierà in modo significativo. Pertanto, è necessario migliorare la dissipazione del calore del pacco batteria esistente.

Il sistema di gestione termica che utilizza l'aria come mezzo ha una struttura semplice, un costo contenuto e un processo di produzione più semplice rispetto al sistema di gestione termica che utilizza il liquido come mezzo. Inoltre, i gas nocivi generati per vari motivi possono essere scaricati in modo tempestivo, con conseguente maggiore sicurezza. Pertanto questo articolo adotta la ventilazione forzata per dissipare il calore nell'impianto. Per garantire una buona dissipazione del calore, la velocità all'ingresso dell'aria del sistema di raffreddamento è impostata su 30 m/s. Attraverso il calcolo della simulazione ANSYS, si ottiene la distribuzione del campo di temperatura del pacco batteria migliorato.

Dopo aver migliorato la gestione termica del pacco batteria, la differenza di temperatura e la temperatura massima durante la scarica a diverse velocità di scarica sono state ridotte. E tutti rientrano nell'ambito consentito. Quando la batteria si scarica a una velocità di 1 C, la temperatura massima della batteria diminuisce di 1 ℃ senza alcuna variazione nella differenza di temperatura;

Quando la batteria si scarica a una velocità di 2 C, la temperatura massima della batteria diminuisce di 8 ℃ e la differenza di temperatura scende a 8.5 ℃;

Quando il pacco batteria viene scaricato a una velocità di 3 C, la temperatura massima del pacco batteria scende entro l'intervallo consentito, e anche la differenza di temperatura scende entro l'intervallo consentito.

In confronto si può vedere che la temperatura massima e la differenza di temperatura della batteria migliorata rientrano nell'intervallo consentito. Il piano di miglioramento è fattibile ed efficace.

Conclusione 4

Questo articolo prende come oggetto di ricerca un certo tipo di pacco batterie al litio ferro fosfato per veicoli elettrici, stabilisce il suo modello di simulazione utilizzando il software ANSYS e conduce analisi di simulazione. I risultati hanno mostrato che la temperatura di scarica più alta del pacco batteria a una velocità di 2°C era di 43 ℃, con una differenza di temperatura di 12 ℃, superando la differenza di temperatura consentita di 10 ℃.

L'uso a lungo termine può influire sulla durata della batteria. Il metodo di gestione termica del pacco batteria è stato migliorato e la temperatura massima e la differenza di temperatura del pacco batteria durante la scarica a 2 C e con un ingrandimento di 3 C sono state ridotte, soddisfacendo i requisiti di dissipazione del calore del pacco batteria durante l'avviamento del veicolo elettrico, salita e accelerazione.