Equilibrio entre rendimiento y seguridad: un análisis completo de las características térmicas de carga y descarga del paquete de baterías de iones de litio de 48 V

Este artículo utiliza 25 termopares para estudiar experimentalmente la distribución de temperatura y el comportamiento de un paquete de baterías de iones de litio (Li ion) de 48 V durante dos ciclos de carga y descarga. Los resultados indican que se produce una mejor transferencia de calor por convección en la superficie exterior del embalaje, mientras que la batería del medio alcanza su temperatura máxima. También se observaron diferencias en el comportamiento de los tres módulos. El ciclo de descarga muestra un aumento de temperatura de 5,8 grados C y el gradiente de temperatura del paquete de baterías aumenta de 1,3 grados C a 2,7 grados C. Este estudio enfatiza la importancia de evaluar el comportamiento térmico de cada módulo y la complejidad de los módulos de iones de litio. Sistemas de paquetes de baterías. En el mismo estudio, los descubrimientos sobre baterías, módulos y paquetes de baterías pueden proporcionar información valiosa para diseñar sistemas de refrigeración eficientes para paquetes de baterías de iones de litio.

1. Introducción

Baterías de iones de litio:Las baterías recargables de iones de litio se consideran dispositivos de almacenamiento de energía adecuados para vehículos híbridos suaves debido a su alta densidad de energía, potencia específica, peso ligero, baja tasa de autodescarga, alta reciclabilidad y larga vida útil. En los últimos 13 años, el precio de las baterías de iones de litio ha disminuido significativamente. Sin embargo, las altas temperaturas y la distribución desigual de la temperatura son los principales problemas de las baterías de iones de litio, y la temperatura juega un papel importante en su ciclo de vida y capacidad energética.

Estudios anteriores sobre el comportamiento térmico de las baterías de iones de litio en vehículos híbridos suaves se centraron principalmente en baterías individuales o paquetes de baterías, y carecían de un análisis detallado del impacto de los parámetros externos (como la presencia de otras baterías) en el comportamiento térmico de la batería. Además, el alcance de la investigación sobre el comportamiento térmico de los paquetes de baterías de iones de litio de 48 V es limitado y faltan estudios experimentales sobre la distribución detallada de la temperatura de todo el paquete de baterías.

es investigar experimentalmente el comportamiento térmico de un paquete de baterías de iones de litio de 48 V a través de dos ciclos completos de carga y descarga. Utilizando 25 termopares para medir en diferentes ubicaciones dentro del paquete de baterías, esperamos brindar información valiosa sobre la generación de calor del paquete de baterías y ayudar a seleccionar el sistema de enfriamiento de la batería adecuado.

2. Determinación experimental

Parámetros de la batería de iones de litio:Las baterías de iones de litio suelen estar compuestas por un ánodo, un cátodo, un electrolito y un colector de corriente. En la industria automotriz se utilizan baterías cilíndricas, prismáticas y con forma de bolsa, y los diseños prismáticos pueden mejorar la utilización del espacio y la flexibilidad. Este estudio utilizó una batería prismática de iones de litio NCM con una capacidad nominal de 8,23 Ah. El paquete de baterías consta de 36 baterías conectadas en una configuración de 12s3p, que tiene las ventajas de fácil instalación, modularidad, seguridad y compacidad, impacto mínimo en el peso del vehículo y alta rentabilidad.

Diseño experimental:El dispositivo de prueba experimental incluye un paquete de baterías, un simulador de batería AVL de alto voltaje y alta corriente controlado por el sistema AVL PUMA, un sensor de temperatura tipo K con dos módulos de adquisición de datos (ES620 ETAS) y una unidad de computadora para monitorear y almacenar datos. Utilice 25 termopares para controlar la temperatura de la batería, con puntos de medición ubicados en los tres módulos del paquete de baterías. Los termopares ayudan a detectar cambios de temperatura entre los terminales positivo y negativo de una misma batería.

Ciclos de carga y descarga:Se realizaron dos pruebas de ciclos completos de carga y descarga con temperaturas iniciales y estados de carga (SoC) de 26 grados C y 47 %, respectivamente. Las corrientes máxima y mínima fueron 237 A y -237 A, respectivamente. El SoC alcanzó el doble de los valores más alto y más bajo, es decir, 91% y 10%, y la prueba finalizó cuando el SoC alcanzó el valor inicial. Para evitar fallas térmicas del paquete de baterías a altas temperaturas, la prueba finalizó cuando la temperatura alcanzó los 40 grados C. En este estudio, el límite de temperatura se alcanzó al final del segundo ciclo.

Antecedentes teóricos:El efecto de la temperatura de las baterías está relacionado con los materiales internos y las reacciones químicas. La generación térmica de baterías de iones de litio a temperaturas normales está relacionada con la transferencia de carga y reacciones químicas durante los procesos de carga y descarga. La generación térmica incluye procesos reversibles (calor de entropía) y procesos irreversibles. Según las leyes de la termodinámica, el comportamiento transitorio del calor generado dentro de una batería puede provocar diferentes cambios de temperatura. Para estudiar el comportamiento térmico de las baterías y los paquetes de baterías de iones de litio, se definieron una convención de nomenclatura y parámetros relacionados para la temperatura, como la temperatura máxima, la temperatura mínima, la diferencia de temperatura y la temperatura promedio.

3. Resultados

SOC y voltaje

La siguiente figura muestra el voltaje, la corriente y el SoC del paquete de baterías. El tiempo de prueba se divide en 8 partes de dos ciclos, donde LD, EC, LC y ED representan la descarga tardía, la carga temprana, la carga tardía y la descarga temprana, respectivamente. En la primera parte LD1, la corriente es -237A, y el paquete de baterías y el voltaje de la batería disminuyen; En la sección EC1, la corriente es 237A, el SoC alcanza el 33% y el voltaje del paquete de baterías aumenta; En la sección LC1, la corriente cae a 33 A y el voltaje del paquete de baterías aumenta; En la sección ED1, la corriente es -237A y el SoC y el voltaje disminuyen. En el segundo ciclo, la corriente, el SoC y el voltaje del paquete de baterías mostraron una evolución temporal similar a la del primer ciclo, y la prueba finalizó a los 2105 s.

Los paquetes de baterías de iones de litio generalmente requieren largos períodos de corriente constante alta en aplicaciones prácticas, por lo que BMS reducirá la producción para garantizar la seguridad. La figura anterior muestra una disminución repentina en el límite de corriente durante la fase de carga tardía debido a la gestión térmica de la batería.

Rendimiento térmico

La Figura a muestra el historial de temperatura de 8 termopares en el Módulo 1. Los valores de T1 y+12 estaban en el medio del rango de temperatura del módulo al comienzo de la prueba, pero cayeron al nivel más bajo al final de la prueba. prueba. T1 y -01 eran iguales a Tmin al comienzo del primer ciclo y la temperatura de la batería en el medio del módulo era la más alta.

La Figura b muestra la distribución de temperatura del módulo 2, donde T2, -12 es Tmin, T2,+01 es la segunda temperatura más baja y T2,+04 es Tmax.

La figura c muestra la distribución de temperatura del módulo 3, donde T3, -01 es Tmin, T3,+12 es la segunda temperatura más baja, T3,+04, T3, -06, y T3, -07 es Tmax.

La siguiente figura muestra el historial temporal de la temperatura promedio, la temperatura máxima, la temperatura mínima y la diferencia de temperatura del paquete de baterías y de cada módulo. El Trise del paquete de baterías en EC1 y EC2 es de 1,6 grados C y 1,2 grados C, respectivamente. Durante el ciclo de descarga completo (combinación de ED1 y LD2), el Trise es de aproximadamente 5,8 grados C. El ∆ T máximo es 2,0 grados C y 3,2 grados C al final de EC1 y EC2, respectivamente, mientras que el ∆ T mínimo es 1,3 grados C y 2,2 grados C al final del primer y segundo ciclo de carga completo, respectivamente, T se puede dividir en la diferencia entre Tmax y Tavg, así como la diferencia entre Tavg y Tmin. La diferencia entre Tavg y Tmin varía linealmente cuando la corriente cambia significativamente, mientras que la diferencia entre Tmax y Tavg es sensible a la corriente y no lineal.

4. Discusión

Investigación de baterías:En la misma batería de iones de litio, la temperatura del terminal positivo es mayor que la del terminal negativo, con una diferencia de temperatura máxima de aproximadamente 0.6 grados C. Este fenómeno también se ha mencionado en la literatura. Además, al final de los dos ciclos aparece Tmin en T1,+12 y T1, -01 en el módulo 1, T2, -12 y T2,+01 en el módulo 2, y T3, -01 y T3,+12 en el módulo 3. Esto indica que Tmin aparece en la batería externa del paquete de baterías, debido a una mejor transferencia de calor por convección y al efecto de enfriamiento en la superficie límite del módulo. en comparación con la temperatura ambiente. Y el Tmax de cada módulo aparece en la batería del medio, pero este no es simétrico, lo que indica el comportamiento dinámico y la no uniformidad de temperatura de cada batería. Este fenómeno ilustra la complejidad de este sistema dinámico y enfatiza la importancia de evaluar el comportamiento de la temperatura de todos los módulos del paquete de baterías.

Investigación del módulo:La Tavg del Módulo 1 es más alta que la del paquete de baterías en la primera mitad de los LD, EC, ED y LC, lo que indica que el Módulo 1 es más sensible a las corrientes altas que otros módulos, genera más calor y aumenta más rápido de temperatura. e intercambia calor mejor que otros módulos. Esto indica la complejidad del sistema de paquete de baterías, y el comportamiento térmico de cada módulo debe estudiarse e inspeccionarse por separado.

Investigación del paquete de baterías:En las baterías, módulos y paquetes de baterías de iones de litio, la temperatura siempre aumenta en los ED, LD y EC. Por lo tanto, Tmax aparece no sólo en el medio de LC1 y LC2, sino también al final de EC1 y EC2. En otras palabras, cuando hay mucha corriente, la temperatura aumentará porque más iones de litio deberían moverse a través de la membrana y generar más calor. Por lo tanto, al comienzo de las LC, habrá una caída de temperatura, seguida por la observación de un comportamiento de temperatura casi estable.

Durante el ciclo de descarga completo entre dos ciclos de carga, la temperatura aumenta monótonamente; En general, Trise aumentó 5,8 grados C desde su valor inicial de 31,8 grados C. Además, ∆ T también mostró la misma tendencia ascendente de 1,3 grados C a 2,7 grados C. Esto se debe a la alta corriente basada en la ecuación (2). durante este período, así como la sensibilidad del módulo 1 a la corriente. Además, los patrones de Trise en los dos ciclos de carga mostraron tendencias similares. Al principio, sube, luego baja y finalmente mantiene una temperatura casi estable. Por lo tanto, cuando se aplica una corriente más alta al paquete de baterías, se lograrán Trise y ∆ T más altos.

∆ T se puede dividir en la diferencia entre Tmax y Tavg, así como en la diferencia entre Tavg y Tmin. Tmax es muy sensible a los gradientes de temperatura y varía con el tiempo, mientras que Tmin es menos sensible a los cambios de corriente. Por tanto, la parte más importante del cambio de temperatura en el paquete de baterías se debe al comportamiento de Tmax. En otras palabras, la diferencia entre Tavg y Tmin varía linealmente cuando hay una diferencia significativa en la corriente y la pendiente cambia. La diferencia entre Tmax y Tavg es muy sensible a la corriente y la pendiente aumentará con el tiempo. Por lo tanto, en el segundo escenario, excepto por variaciones significativas en grandes diferencias de corriente, ∆ T no muestra un comportamiento lineal tanto en corrientes constantes como dinámicas. El trabajo futuro debería centrarse en desarrollar sistemas de refrigeración eficientes y explorar diferentes estrategias de gestión térmica para mejorar el rendimiento y la seguridad de los paquetes de baterías de iones de litio según los resultados obtenidos de este estudio.

5. Resumen

Este artículo estudia el comportamiento térmico de los paquetes de baterías de iones de litio de 48 V bajo corriente dinámica, lo cual es crucial para comprender el funcionamiento seguro y confiable de los paquetes de baterías de iones de litio, especialmente en aplicaciones que requieren alta potencia y densidad de energía.

Los resultados experimentales indican que el comportamiento de la temperatura del paquete de baterías es complejo y no lineal, con diferencias entre las diferentes baterías, módulos y el paquete de baterías completo. La temperatura fuera del paquete de baterías es más baja que la de la batería interna debido a una mejor transferencia de calor por convección, y la temperatura del terminal positivo de una sola batería es mayor que la temperatura del terminal negativo. Un módulo es más sensible a las corrientes altas, lo que resulta en un aumento de temperatura y una generación de calor más rápidos, lo que solo se puede obtener estudiando todos los módulos en el mismo paquete de baterías de iones de litio.

El comportamiento térmico de la batería está influenciado principalmente por Tmax, que es más sensible a la corriente. Trise se debe principalmente a la alta corriente y al calor generado por el movimiento de los iones de litio a través del separador. La diferencia entre Tmin y Tavg varía linealmente bajo corriente constante, mientras que la diferencia entre Tmax y Tavg varía de manera no lineal bajo cambios de corriente, especialmente bajo grandes diferencias de corriente.

En general, los hallazgos de la investigación indican la importancia de examinar y evaluar individualmente el comportamiento térmico de cada batería, módulo y paquete de baterías completo para comprender la complejidad y el comportamiento no lineal de los paquetes de baterías de iones de litio bajo corrientes dinámicas. Los resultados de este estudio contribuirán al desarrollo de sistemas de gestión térmica de baterías más eficientes y confiables para paquetes de baterías de iones de litio en aplicaciones automotrices en el futuro. Al determinar las estrategias y los parámetros de gestión térmica de la batería, es necesario considerar las diferencias entre el módulo Tavg, la dependencia de Tavg de Tmax y el impacto de la ubicación de la batería en sus cambios de temperatura.