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Test termico della batteria agli ioni di litio cilindrica

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Test termico della batteria agli ioni di litio cilindrica

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1 Batteria agli ioni di litio di forma cilindrica
Le batterie agli ioni di litio hanno diverse specifiche e dimensioni esterne, per cui la misurazione dei parametri di prestazione termica delle batterie al litio comporta l'utilizzo di diversi metodi e apparecchiature di prova. Abbiamo scelto di condurre una ricerca sui test delle prestazioni termiche delle batterie agli ioni di litio cilindriche, in particolare sulla tecnologia di test della conduttività termica radiale per le batterie agli ioni di litio cilindriche, principalmente per le seguenti considerazioni:



(1) Le batterie cilindriche agli ioni di litio sono attualmente uno dei tipi di batterie più comuni e hanno un'ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, la tecnologia dei test di conducibilità termica radiale per le batterie cilindriche agli ioni di litio non è ancora matura ed è ancora agli inizi sia a livello nazionale che internazionale. I vari metodi di prova riportati presentano errori significativi e non sono in grado di soddisfare le esigenze di modellazione e gestione termica delle batterie.



(2) La struttura cilindrica delle batterie al litio è molto particolare, in particolare con una sola superficie circonferenziale in direzione radiale. Quando si effettuano test sulle prestazioni termiche senza danneggiare la batteria, è possibile utilizzare solo una superficie esterna circonferenziale per generare le corrispondenti condizioni al contorno del test. Questo è spesso il test più difficile nella tecnologia di verifica dei parametri di prestazione termica. Se il test dei parametri di prestazione termica può essere realizzato nella direzione radiale delle batterie cilindriche con una precisione di misurazione soddisfacente, la tecnologia di test può essere facilmente promossa e applicata alle batterie prismatiche e a sacchetto.



(3) Il calore di autoriscaldamento delle batterie cilindriche agli ioni di litio è solitamente il più basso, inferiore a quello delle batterie prismatiche e a sacchetto. Allo stesso modo, se il metodo di prova studiato può raggiungere un'accuratezza di misura soddisfacente sulle batterie al litio cilindriche a basso calore, può raggiungere un'accuratezza di misura più elevata nelle misure ad alto calore delle batterie prismatiche e a sacchetto.



(4) Inoltre, attraverso la ricerca della tecnologia di prova della conducibilità termica radiale per le batterie cilindriche agli ioni di litio, si può cercare di ottenere multifunzionalità, modularità, rapidità e basso costo degli strumenti di prova delle prestazioni termiche delle batterie agli ioni di litio.



Questo articolo si concentra in particolare sulla conducibilità termica radiale delle batterie cilindriche agli ioni di litio e conduce ricerche sui metodi di prova. Stabilirà i corrispondenti modelli di test a temperatura costante nelle condizioni limite delle batterie non distruttive e solo sulla superficie esterna della circonferenza della batteria, e verificherà l'accuratezza del modello di test e delle espressioni esplicative attraverso la simulazione agli elementi finiti. Si prevede di fornire una guida efficace per la progettazione degli strumenti di prova.



2 Modello analitico per i test termici
In base alla struttura interna e alla direzione di trasferimento del calore delle batterie al litio cilindriche, la modalità di trasferimento del calore radiale delle batterie al litio cilindriche è una tipica modalità di diffusione radiale circonferenziale. Pertanto, per descrivere il modello di prova delle batterie cilindriche si utilizzano coordinate cilindriche, mentre altre forme di modelli di prova non possono descrivere accuratamente la modalità di trasferimento del calore delle batterie cilindriche. Per una batteria al litio cilindrica con un raggio di R e un'altezza di H, le condizioni al contorno per il test di conducibilità termica radiale possono verificarsi solo sulla superficie esterna della circonferenza a r=R.



Se assumiamo che le facce superiori e inferiori di una batteria cilindrica siano superfici adiabatiche, le condizioni al contorno sulla superficie esterna della batteria non sono diverse dai tre tipi di condizioni al contorno nel trasferimento di calore, ovvero temperatura costante, riscaldamento lineare e temperatura alternata. A causa delle dimensioni relativamente grandi della batteria testata e della difficoltà di implementare e analizzare la condizione al contorno del terzo tipo di temperatura alternata, che è molto complessa, abbiamo condotto solo ricerche sui metodi di prova corrispondenti per le condizioni al contorno del primo e secondo tipo di temperatura costante e riscaldamento lineare.



Il calore fluisce solo radialmente e la distribuzione della temperatura è monodimensionale nello spazio. Anche il flusso di calore è unidimensionale e si presume che il coefficiente di trasferimento di calore radiale sia uniforme e indipendente dalla temperatura entro un piccolo intervallo di temperatura.



2.1. Test a temperatura costante
Il primo tipo di condizione al contorno è una temperatura superficiale costante, il che significa che durante il processo di test, una batteria con una temperatura iniziale di T0 viene improvvisamente collocata in un ambiente con una temperatura di Ts, la cui temperatura deve essere superiore alla temperatura iniziale T0 e rimanere costante. Di conseguenza, il calore viene trasferito radialmente attraverso la batteria e le due estremità della batteria si trovano in uno stato adiabatico.



2.2 Test di aumento lineare della temperatura
Il secondo tipo di condizione al contorno è un aumento lineare della temperatura superficiale, il che significa che durante il processo di prova viene applicata una quantità costante di calore alla superficie esterna della batteria per riscaldarla e si presume che il calore costante non venga perso nel tempo durante l'intero processo di riscaldamento. Inoltre, a causa della struttura asimmetrica delle batterie cilindriche, il riscaldamento dei lati intorno alla batteria porterà a uno stato adiabatico lungo l'asse della batteria.



3 Conclusioni
È stata condotta una ricerca speciale sulla tecnologia di prova della conduttività termica radiale per le batterie cilindriche agli ioni di litio ed è stato stabilito un metodo di prova semplice e facile da utilizzare. Il metodo di prova è stato convalidato mediante simulazione agli elementi finiti e dall'intero lavoro di ricerca sono state tratte le seguenti conclusioni:



(1) È stato stabilito un modello di prova a temperatura costante e un metodo di prova corrispondente per la conducibilità termica radiale delle batterie cilindriche agli ioni di litio. La simulazione agli elementi finiti ha dimostrato che questo metodo di prova ha un'elevata accuratezza di misurazione e può essere applicato pienamente nei test pratici, il che è di grande importanza per la verifica delle prestazioni termiche delle batterie agli ioni di litio.



(2) Il metodo di prova stabilito può ottenere i valori di conducibilità termica radiale, diffusività termica radiale e capacità termica specifica attraverso un singolo test di riscaldamento. È inoltre possibile misurare i parametri di prestazione termica in un ampio intervallo di temperatura in funzione della temperatura e persino misurare la prestazione termica durante l'intero processo di transizione di fase.



(3) Il metodo di prova isotermico ha fondamentalmente acquisito la funzione del calorimetro adiabatico accelerato comunemente utilizzato, che può sostituire e integrare il calorimetro adiabatico accelerato per rilevare la fuga termica delle batterie.



(4) Il metodo di prova stabilito è semplice e facile da implementare, con operazioni sperimentali convenienti, che lo rendono molto adatto per il caricamento di altre variabili nella valutazione delle prestazioni delle batterie, come il test delle prestazioni termiche durante i processi di carica e scarica delle batterie.



(5) La scoperta del metodo di prova della conduttività termica radiale per le batterie al litio cilindriche può essere estesa alla prova delle prestazioni termiche di altre specifiche di batterie agli ioni di litio utilizzando metodi di prova a temperatura costante e a corrente costante. Per testare le prestazioni termiche delle batterie al litio si possono utilizzare diverse condizioni e direzioni di carico.



(6) Il principio del metodo di prova a temperatura costante studiato è semplice e le condizioni al contorno sono facili da implementare, il che è molto favorevole alla strumentazione e alla modularizzazione, nonché all'integrazione con altri strumenti di prova.