Performans ve Güvenliği Dengelemek: 48V Lityum İyon Pil Paketinin Şarj Deşarj Termal Özelliklerinin Kapsamlı Bir Analizi

Bu makale, iki şarj deşarj döngüsü sırasında 48V lityum iyon (Li iyon) pil takımının sıcaklık dağılımını ve davranışını deneysel olarak incelemek için 25 termokupl kullanıyor. Sonuçlar, ambalajın dış yüzeyinde daha iyi konvektif ısı transferinin meydana geldiğini ve orta pilin maksimum sıcaklığına ulaştığını göstermektedir. Üç modülün davranışında da farklılıklar gözlendi. Deşarj döngüsü 5,8 derece C'lik bir sıcaklık artışı gösterir ve pil takımının sıcaklık gradyanı 1,3 derece C'den 2,7 derece C'ye yükselir. Bu çalışma, her modülün termal davranışını ve lityum iyonun karmaşıklığını değerlendirmenin önemini vurgulamaktadır. pil paketi sistemleri. Aynı çalışmada piller, modüller ve pil paketleri hakkındaki keşifler, lityum iyon pil paketleri için verimli soğutma sistemleri tasarlamak için değerli bilgiler sağlayabilir.

1. Giriş

Lityum iyon piller:Şarj edilebilir lityum iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu, özgül gücü, hafifliği, düşük kendi kendine deşarj oranı, yüksek geri dönüştürülebilirliği ve uzun ömrü nedeniyle hafif hibrit araçlar için uygun enerji depolama cihazları olarak kabul edilir. Geçtiğimiz 13 yılda lityum iyon pil paketlerinin fiyatı önemli ölçüde düştü. Ancak yüksek sıcaklık ve eşit olmayan sıcaklık dağılımı, lityum iyon pillerin temel sorunlarıdır ve sıcaklık, pillerin yaşam döngüsünde ve enerji kapasitesinde önemli bir rol oynar.

Önceki araştırmaların eksiklikleri:Hafif hibrit araçlardaki lityum iyon pillerin termal davranışına ilişkin önceki çalışmalar, esas olarak bireysel pillere veya pil paketlerine odaklanıyordu; harici parametrelerin (diğer pillerin varlığı gibi) pilin termal davranışı üzerindeki etkisinin ayrıntılı analizi eksikti. Ayrıca 48V lityum iyon pil paketlerinin termal davranışına ilişkin araştırma kapsamı sınırlıdır ve tüm pil paketinin ayrıntılı sıcaklık dağılımına ilişkin deneysel çalışmaların eksikliği bulunmaktadır.

Bu çalışmanın amacı:48V lityum iyon pil takımının termal davranışını iki tam şarj deşarj döngüsü boyunca deneysel olarak araştırmaktır. Pil paketinin farklı yerlerinde ölçüm yapmak için 25 termokupl kullanarak pil paketinin ısı üretimine ilişkin değerli bilgiler sağlamayı ve uygun pil soğutma sisteminin seçilmesine yardımcı olmayı umuyoruz.

2. Deneysel Belirleme

Lityum iyon pil parametreleri:Lityum iyon piller tipik olarak anot, katot, elektrolit ve akım toplayıcıdan oluşur. Otomotiv endüstrisinde silindirik, prizmatik ve kese şeklindeki piller kullanılır ve prizmatik tasarımlar alan kullanımını ve esnekliği artırabilir. Bu çalışmada nominal kapasitesi 8,23Ah olan prizmatik bir NCM lityum iyon pil kullanıldı. Pil paketi, kolay kurulum, modülerlik, güvenlik ve kompaktlık, araç ağırlığı üzerinde minimum etki ve yüksek maliyet etkinliği avantajlarına sahip olan 12s3p konfigürasyonunda bağlı 36 pilden oluşur.

Deneysel düzen:Deneysel test cihazı, bir pil takımı, AVL PUMA sistemi tarafından kontrol edilen bir yüksek gerilim yüksek akım AVL pil simülatörü, iki veri toplama modüllü (ES620 ETAS) bir K tipi sıcaklık sensörü ve verileri izlemek ve depolamak için bir bilgisayar ünitesi içerir. Pilin sıcaklığını izlemek için pil takımının üç modülünde bulunan ölçüm noktalarıyla 25 termokupl kullanın. Termokupllar aynı pilin pozitif ve negatif terminalleri arasındaki sıcaklık değişikliklerini tespit etmeye yardımcı olur.

Şarj ve deşarj döngüleri:Sırasıyla 26 derece C ve %47 başlangıç ​​sıcaklıkları ve şarj durumları (SoC) ile iki tam şarj ve deşarj döngüsü testi gerçekleştirildi. Maksimum ve minimum akımlar sırasıyla 237A ve -237A idi. SoC en yüksek ve en düşük değerlerin iki katına, yani %91 ve %10'a ulaştı ve SoC başlangıç ​​değerine ulaştığında test sona erdi. Yüksek sıcaklıklarda pil takımının termal arızasını önlemek için sıcaklık 40 derece C'ye ulaştığında test sonlandırıldı. Bu çalışmada sıcaklık sınırına ikinci çevrimin sonunda ulaşıldı.

Teorik arka plan:Pillerin sıcaklık etkisi iç malzemeleri ve kimyasal reaksiyonlarla ilgilidir. Lityum-iyon pillerin normal sıcaklıklarda termal üretimi, şarj ve deşarj işlemleri sırasında yük aktarımı ve kimyasal reaksiyonlarla ilgilidir. Termal üretim, tersinir süreçleri (entropi ısısı) ve geri dönüşü olmayan süreçleri içerir. Termodinamik yasalarına göre, pilin içinde üretilen ısının geçici davranışı, farklı sıcaklık değişimlerine yol açabilir. Lityum iyon pillerin ve pil paketlerinin termal davranışını incelemek için bir adlandırma kuralı ve maksimum sıcaklık, minimum sıcaklık, sıcaklık farkı ve ortalama sıcaklık gibi sıcaklıkla ilgili parametreler tanımlandı.

3. Sonuçlar

SOC ve Gerilim

Aşağıdaki şekil pil takımının voltajını, akımını ve SoC'sini göstermektedir. Test süresi iki döngüden oluşan 8 parçaya bölünmüştür; LD, EC, LC ve ED sırasıyla geç deşarjı, erken şarjı, geç şarjı ve erken deşarjı temsil eder. LD1'in ilk bölümünde akım -237A'dır ve pil takımı ve pil voltajı azalır; EC1 bölümünde akım 237A'dır, SoC %33'e ulaşır ve akü paketi voltajı artar; LC1 kısmında akım 33A'ya düşer ve akü voltajı artar; ED1 kısmında akım -237A olup SoC ve voltaj azalmaktadır. İkinci döngüde, pil takımının akımı, SoC'si ve voltajı, ilk döngüyle benzer bir zaman gelişimi gösterdi ve test 2105'te sona erdi.

Lityum iyon pil paketleri pratik uygulamalarda genellikle uzun süreli yüksek sabit akım gerektirir, bu nedenle BMS güvenliği sağlamak için çıkışı azaltacaktır. Yukarıdaki şekil, pilin termal yönetimi nedeniyle geç şarj aşamasında akım sınırındaki ani düşüşü göstermektedir.

Termal performans

Şekil a, Modül 1'deki 8 termokuplun sıcaklık zaman geçmişini göstermektedir. T1 ve+12 değerleri, testin başlangıcında modül sıcaklık aralığının ortasındaydı ancak testin sonunda en düşük seviyeye düştü. test. İlk döngünün başında T1 ve -01 Tmin'e eşitti ve modülün ortasındaki pilin sıcaklığı en yüksekti.

Şekil b, modül 2'nin sıcaklık dağılımını gösterir; burada T2, -12 Tmin'dir, T2,+01 ikinci en düşük sıcaklıktır ve T2,+04 Tmax'tır.

Şekil c, modül 3'ün sıcaklık dağılımını gösterir; burada T3, -01, Tmin'dir, T3,+12, ikinci en düşük sıcaklıktır, T3,+04, T3, -06, ve T3, -07 Tmax'tır.

Aşağıdaki şekil pil paketinin ve her bir modülün ortalama sıcaklığının, maksimum sıcaklığının, minimum sıcaklığının ve sıcaklık farkının zaman geçmişini göstermektedir. Pil paketinin EC1 ve EC2'deki trise değeri sırasıyla 1,6 derece C ve 1,2 derece C'dir. Tam deşarj döngüsü sırasında (ED1 ve LD2 kombinasyonu), Trise yaklaşık 5,8 derece C'dir. Maksimum ∆ T, EC1 ve EC2'nin sonunda sırasıyla 2,0 derece C ve 3,2 derece C'dir. birinci ve ikinci tam şarj çevrimlerinin sonunda minimum ∆ T sırasıyla 1,3 derece C ve 2,2 derece C'dir, T, Tmax ve Tavg arasındaki farka bölünebilir, Tavg ve Tmin arasındaki farkın yanı sıra. Tavg ve Tmin arasındaki fark, akım önemli ölçüde değiştiğinde doğrusal olarak değişirken, Tmax ve Tavg arasındaki fark akıma duyarlıdır ve doğrusal değildir.

4. Tartışma

Pil araştırması:Aynı lityum iyon pilde, pozitif terminalin sıcaklığı negatif terminalin sıcaklığından daha yüksektir ve maksimum sıcaklık farkı yaklaşık 0,6 derece C'dir. Bu olguya literatürde de değinilmiştir. Ayrıca iki döngünün sonunda Tmin, T1,+12 ve T1'de, modül 1'de -01, modülde T2, -12 ve T2,+01 görünür. 2 ve modül 3'te T3, -01 ve T3,+12. Bu, modül sınır yüzeyinde daha iyi konvektif ısı transferi ve soğutma etkisi nedeniyle Tmin'in pil takımının harici pilinde göründüğünü gösterir. ortam sıcaklığıyla karşılaştırıldığında. Ve her modülün Tmaks'ı ortadaki pilde görünür, ancak bu simetrik değildir, bu da her pilin dinamik davranışını ve sıcaklık eşitsizliğini gösterir. Bu olgu, bu dinamik sistemin karmaşıklığını göstermekte ve pil paketindeki tüm modüllerin sıcaklık davranışlarının değerlendirilmesinin önemini vurgulamaktadır.

Modül araştırması:LD'lerin, EC'lerin, ED'lerin ve LC'lerin ilk yarısında Modül 1'in Tavg'ı pil takımınınkinden daha yüksektir; bu da Modül 1'in diğer modüllere göre yüksek akımlara daha duyarlı olduğunu, daha fazla ısı ürettiğini, sıcaklığın daha hızlı yükseldiğini, ve ısıyı diğer modüllere göre daha iyi aktarır. Bu, pil paketi sisteminin karmaşıklığını gösterir ve her modülün termal davranışı ayrı ayrı incelenip incelenmelidir.

Pil paketi araştırması:Lityum iyon pillerde, modüllerde ve pil paketlerinde ED'lerde, LD'lerde ve EC'lerde sıcaklık her zaman artar. Bu nedenle Tmax yalnızca LC1 ve LC2'nin ortasında değil aynı zamanda EC1 ve EC2'nin sonunda da görünür. Başka bir deyişle, yüksek akım olduğunda sıcaklık artacaktır çünkü daha fazla lityum iyonunun membrandan geçmesi ve daha fazla ısı üretmesi gerekir. Bu nedenle, LC'lerin başlangıcında, bir sıcaklık düşüşü olacak, ardından sıcaklığın yarı kararlı durum davranışı gözlemlenecektir.

İki şarj döngüsü arasındaki tam boşaltma döngüsü sırasında sıcaklık monoton bir şekilde artar; Genel olarak Trise, başlangıç ​​değeri olan 31,8 derece C'den 5,8 derece C arttı. Ayrıca ∆ T de 1,3 derece C'den 2,7 derece C'ye aynı yükseliş eğilimini gösterdi. Bunun nedeni denklem (2)'ye dayalı yüksek akımdır. bu dönemde modül 1'in akıma duyarlılığı da değişir. Ek olarak, iki şarj döngüsündeki Trise modelleri de benzer eğilimler gösterdi. Başlangıçta yükselir, sonra düşer ve sonunda yarı sabit bir sıcaklık durumunu korur. Bu nedenle pil takımına daha yüksek bir akım uygulandığında daha yüksek Trise ve ∆ T elde edilecektir.

∆ T, Tmax ve Tavg arasındaki farkın yanı sıra Tavg ve Tmin arasındaki farka da bölünebilir. Tmax, sıcaklık değişimlerine karşı oldukça duyarlıdır ve zamanla değişir; Tmin ise akımdaki değişikliklere karşı daha az duyarlıdır. Bu nedenle pil takımındaki sıcaklık değişiminin en önemli kısmı Tmax'ın davranışından kaynaklanmaktadır. Başka bir deyişle Tavg ve Tmin arasındaki fark, akımda önemli bir fark olduğunda ve eğim değiştiğinde doğrusal olarak değişir. Tmax ve Tavg arasındaki fark akıma karşı çok hassastır ve eğim zamanla artacaktır. Dolayısıyla ikinci senaryoda, büyük akım farklarındaki önemli değişiklikler dışında ∆ T hem sabit hem de dinamik akımlarda doğrusal bir davranış sergilememektedir. Gelecekteki çalışmalar, bu çalışmadan elde edilen sonuçlara dayanarak, lityum iyon pil paketlerinin performansını ve güvenliğini artırmak için verimli soğutma sistemleri geliştirmeye ve farklı termal yönetim stratejilerini keşfetmeye odaklanmalıdır.

5. Özet

Bu makale, özellikle yüksek güç ve enerji yoğunluğu gerektiren uygulamalarda, lityum-iyon pil paketlerinin güvenli ve güvenilir çalışmasını anlamak için çok önemli olan, dinamik akım altında 48V lityum-iyon pil paketlerinin termal davranışını incelemektedir.

Deneysel sonuçlar, pil paketinin sıcaklık davranışının karmaşık ve doğrusal olmadığını, farklı piller, modüller ve tüm pil paketi arasındaki farklılıklara işaret etmektedir. Daha iyi konvektif ısı transferi nedeniyle pil paketinin dışındaki sıcaklık, dahili pilden daha düşüktür ve tek bir pilin pozitif terminal sıcaklığı, negatif terminal sıcaklığından daha yüksektir. Bir modül yüksek akımlara karşı daha duyarlıdır, bu da daha hızlı sıcaklık artışına ve ısı üretimine neden olur; bu da yalnızca tüm modüllerin aynı lityum iyon pil paketinde incelenmesiyle elde edilebilir.

Pil takımının sıcaklık davranışı temel olarak akıma daha duyarlı olan Tmax'tan etkilenir. Trise, esas olarak yüksek akımdan ve lityum iyonlarının ayırıcı boyunca hareket etmesiyle üretilen ısıdan kaynaklanmaktadır. Tmin ve Tavg arasındaki fark, sabit akım altında doğrusal olarak değişirken, Tmax ve Tavg arasındaki fark, özellikle büyük akım farkları altında, akım değişiklikleri altında doğrusal olmayan bir şekilde değişir.

Genel olarak araştırma bulguları, lityum iyon pil paketlerinin dinamik akımlar altındaki karmaşıklığını ve doğrusal olmayan davranışını anlamak için her bir pilin, modülün ve tüm pil paketinin termal davranışının ayrı ayrı incelenmesinin ve değerlendirilmesinin önemini göstermektedir. Bu çalışmanın sonuçları gelecekte otomotiv uygulamalarında lityum iyon pil paketleri için daha verimli ve güvenilir pil termal yönetim sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunacaktır. Batarya termal yönetim stratejilerini ve parametrelerini belirlerken, Tavg modülü arasındaki farkları, Tavg'ın Tmax'a bağımlılığını ve batarya konumunun sıcaklık değişimleri üzerindeki etkisini dikkate almak gerekir.