Test di ciclaggio della batteria EV Power - Parte 1

Test di ciclaggio della batteria EV Power - Parte 1

Negli ultimi anni, l'industria cinese dei veicoli a energia nuova ha registrato una crescita esplosiva, che ha attirato molta attenzione sui sistemi di batterie di alimentazione utilizzati nei veicoli a energia nuova. Essendo uno dei componenti chiave dei veicoli elettrici, la durata del sistema di batterie di alimentazione influisce direttamente sull'utilizzo complessivo del veicolo. In passato, la ricerca sulla durata delle batterie di potenza era spesso limitata alle singole celle o ai singoli moduli della batteria, mentre erano pochi i rapporti sulla ricerca sui sistemi di batterie di potenza.

A causa dell'effetto "short board", le prestazioni dei sistemi di batterie sono solitamente determinate dalle peggiori singole celle presenti al loro interno, per cui l'incoerenza delle singole celle può portare a una diminuzione significativa delle prestazioni del sistema di batterie, in particolare la durata del sistema di batterie ne risentirà notevolmente. Pertanto, il tentativo di identificare il modello di decadimento della vita del sistema di batterie, di stabilire un metodo di valutazione della vita e un modello di vita per i sistemi di batterie di potenza, di fornire una base per stabilire metodi rapidi di test e valutazione della vita delle batterie di potenza, è di grande importanza per l'uso razionale dei sistemi di batterie nell'intero veicolo.

1 Oggetto del test e attrezzatura

Oggetto della ricerca: L'esperimento adotta come oggetto di ricerca un sistema di batterie ternarie ad alta energia da 310,8 V e 37 Ah per veicoli ibridi. Il sistema di batterie di potenza è composto da 7 moduli in serie e ogni modulo della batteria di potenza è composto da 12 celle della batteria di potenza in serie. La forma di combinazione dell'intero sistema di batterie di potenza è costituita da 1 connessione in parallelo e 84 connessioni in serie.

Apparecchiature di prova: Il sistema di batterie di potenza utilizza un simulatore di batteria di potenza per condurre test di durata del ciclo e di resistenza interna della potenza. Utilizza un refrigeratore d'acqua per raffreddare il sistema di batterie durante il ciclo e conduce un banco di prova della durata del ciclo del sistema di batterie di potenza agli ioni di litio. L'unità della batteria di alimentazione viene sottoposta a test di durata del ciclo utilizzando un simulatore di batteria di alimentazione e una camera ambientale, mentre per i test di impedenza CA viene utilizzata una workstation elettrochimica.

2 Metodi di prova

2.1 Metodo di prova del ciclo a cella singola per batterie di potenza

Per garantire la comparabilità dei risultati sperimentali, sono stati selezionati monomeri per batterie con una buona consistenza dallo stesso lotto di campioni e sono stati condotti esperimenti comparativi a diverse profondità di scarica (intervallo DOD) a diverse temperature. Il metodo di test ciclico per i monomeri delle batterie di potenza è il seguente

(1) Profondità di carica e scarica del 100% (100% DOD): Il test del ciclo delle celle della batteria viene condotto rispettivamente a temperatura ambiente e a 40 ℃. La batteria viene caricata a 1 C a corrente costante fino a quando la tensione della cella raggiunge i 4,24 V, quindi si passa alla carica a tensione costante fino a quando la corrente è inferiore o uguale a 1,85 A e si interrompe la carica. Lasciare riposare per 30 minuti e scaricare a 1 C a corrente costante fino a quando la tensione della cella raggiunge 3,00 V. Lasciare riposare per 30 minuti e ripetere le fasi precedenti per il test dei cicli; eseguire la calibrazione della capacità e il test dell'impedenza CA ogni 100 cicli.

(2) Profondità di carica e scarica all'80% (80% DOD): Il test del ciclo delle celle della batteria viene condotto rispettivamente a temperatura ambiente e a 40 ℃. per caricare la cella a una tensione di 4,24 V si utilizza una corrente costante di 1 C e la si lascia riposare per 30 minuti. si utilizza una corrente costante di 1 C per scaricare la cella a una tensione di 3,00 V e la si lascia riposare per 30 minuti. I passaggi sopra descritti vengono ripetuti per il test dei cicli e la calibrazione della capacità e il test dell'impedenza CA vengono eseguiti ogni 100 cicli.

2.2 Metodo di prova del ciclo per il sistema di batterie di potenza

(1) Profondità di scarica al 100% (100% DOD). Per evitare l'impatto della temperatura incoerente all'interno del sistema di batterie per conigli sulla durata del ciclo, l'esperimento è stato condotto a temperatura ambiente (25 ± 5) ℃, con una temperatura del refrigerante di 25 ℃ e una portata di 8 L/min. Caricare con 1 C fino a quando la tensione totale raggiunge 352,8 V, quindi passare alla carica a tensione costante fino a quando la corrente è inferiore o uguale a 1,85 A e interrompere la carica (CC-CV), lasciare riposare per 30 minuti: scaricare con 1 C a corrente costante fino a quando la tensione individuale raggiunge 3,00 V, lasciare riposare per 30 minuti; sono stati condotti in totale 170 cicli.

(2) Profondità di carica e scarica all'80% (80% DOD): Il test di ciclaggio del sistema di batterie viene condotto a temperatura ambiente, con una temperatura del refrigerante di 25 ℃ e una portata di 8 L/min. Caricare con una corrente costante di 1 C fino a quando la tensione totale raggiunge 348,6 V e lasciare riposare per 30 minuti, quindi scaricare con una corrente costante di 1 C fino a quando la tensione totale raggiunge 290,8 V e lasciare riposare per 30 minuti. Eseguire una calibrazione della capacità ogni 200 o 100 cicli e condurre un test di resistenza CC (DCR) a una corrente di carica e scarica specifica per SOC.

La calibrazione della capacità prevede l'esecuzione di 3 test di carica e scarica al 100% DOD sul sistema di batterie; il test DCR prevede innanzitutto che il sistema di batterie 1 C venga caricato a una tensione totale di 311,56 V (CC-CV, corrente di taglio di 1,85 A), lasciato a riposo per 30 minuti, quindi che venga caricato a 20 A e scaricato a 20 A per 10 secondi ciascuno, che venga caricato a 120 A e scaricato a 120 A per 10 secondi ciascuno, che venga scaricato a 1 C fino a una singola tensione di taglio di 3,00 V, e che vengano calcolati i valori di resistenza CC in base a ogni corrente impulsiva

3 Analisi dei dati del test del ciclo a cella singola

3.1 Capacità di scarica di una singola cella e numero di cicli

Le celle delle batterie di potenza sono state sottoposte a test di durata di 500 cicli a temperatura ambiente (25 ± 5) ℃ con DOD dell'80% e DOD del 100%: la carica e la scarica DOD del 100% sono state eseguite ogni 200 o 100 cicli per calibrare la capacità.

La capacità di scarica iniziale della batteria è di 38,00 Ah. Dopo 200 cicli, il tasso di ritenzione della capacità è del 100,63%, superiore al tasso di ritenzione della capacità del 99,46% dopo 170 cicli di DOD al 100% nel sistema di batterie;

Dopo 500 cicli, la capacità di scarica è di 37,57 Ah e il tasso di ritenzione della capacità è del 98,87%.

La capacità di scarica iniziale della durata del ciclo 80%DOD è di 38,73 Ah.

Dopo 200 cicli, la capacità è di 38,36 Ah e il tasso di conservazione della capacità è del 99,04%.

Dopo 500 cicli, la capacità di scarica è di 36,66 Ah e il tasso di conservazione della capacità è del 94,66%. Dopo 400 cicli con DOD dell'80% nel sistema di batterie, il tasso di ritenzione della capacità è del 96,72% e dopo 600 cicli il tasso di ritenzione della capacità è del 91,76%

Curva della tensione di capacità delle celle della batteria di potenza a temperatura ambiente. Si può notare che la piattaforma di tensione di scarica della batteria ternaria NCM è compresa tra 4,15 e 3,30 V, mentre la piattaforma di tensione di carica è compresa tra 3,50 e 4,20 V. Le curve di tensione di capacità dell'80% DOD dopo 0-500 cicli mostrano una diminuzione significativa della capacità di scarica dopo ogni 200 o 100 cicli a questa profondità di carica e scarica. Dopo 0-500 cicli, la curva della tensione di capacità del 100% DOD non mostra una diminuzione significativa della capacità di scarica.

La cella della batteria di potenza è stata sottoposta a test di durata di 500 cicli all'80% DOD e al 100% DOD in un ambiente di (40 ± 5) ℃. La capacità di scarica iniziale del ciclo di vita della batteria all'80% DOD è di 40,19 Ah e il tasso di ritenzione della capacità di scarica dopo 200 cicli è del 94,65%; dopo 500 cicli, la capacità di scarica è di Ah e il tasso di ritenzione della capacità è del 91,22% DOD. La capacità di scarica iniziale è dopo la durata del ciclo e il tasso di ritenzione della capacità è del 95,82%;

Dopo 500 cicli, a temperatura ambiente e a 40°C, il tasso di ritenzione della capacità di scarica ciclica è superiore all'80% DOD tasso di ritenzione della capacità di scarica ciclica (capacità di scarica completa dopo la fine del ciclo/capacità di scarica completa iniziale)

Il tasso di degrado della capacità durante i cicli a 40 ℃ è maggiore di quello a temperatura ambiente, il che indica che le alte temperature accelerano il degrado della capacità della batteria e ne riducono la durata.

A 40 °C, la capacità di scarica di una batteria di potenza singola diminuisce rapidamente tra 0-300 cicli all'80% di DOD e rapidamente tra 100-200 cicli al 100% di DOD

3.2 Impedenza AC di una singola cella

Spettri di impedenza CA di celle di batterie di potenza prima e dopo un ciclo di vita dell'80% DOD a temperatura ambiente e a 40 ℃. L'impedenza delle batterie agli ioni di litio comprende l'impedenza dell'elettrolita, l'impedenza di trasferimento di carica e massa all'interfaccia elettrodo-elettrolita e l'impedenza di diffusione degli ioni di litio in prossimità dell'elettrodo e della sua interfaccia.

Lo spettro di impedenza dell'elettrodo è costituito da un semicerchio nella regione delle alte frequenze e da una linea diagonale nella regione delle basse frequenze. L'impedenza dell'elettrolita è aumentata significativamente prima e dopo 500 cicli a temperatura ambiente e 40 ℃ per una singola batteria all'80% DOD, passando da 0,9 m Ω e 1,0 m Ω prima del ciclo a 2,0 m Ω e 2,4 m Ω dopo il ciclo, rispettivamente.