Abstraktne
Liitiumioonakude jõudlus sõltub suuresti aku töötemperatuurist. Tavaliselt saadud temperatuuriandmeid mõõdetakse aga aku pinnale kinnitatud termopaaridega, mis ei pruugi täpselt kajastada tegelikku temperatuuri aku sees, eriti madala keskkonnatemperatuuri ja suure tühjenemiskiiruse korral. See artikkel tutvustab uuenduslikku meetodit, mis kasutab diferentsiaalpinge tehnoloogiat, et ennustada 40Ah liitiumioonaku sisetemperatuuri. Sise- ja välistemperatuuri mõõtmiste erinevus sõltub tühjenduskiirusest ja ümbritsevast temperatuurist. Pideva tühjenemise käigus suureneb pinna ja mõõdetud temperatuuri erinevus tühjenemise varases staadiumis, saavutab haripunkti keskmises etapis ja seejärel väheneb tühjenemise hilises staadiumis. Selle uuringu tulemused võivad aktiivselt toetada akuhaldussüsteemide (BMS) juhtimisstrateegiaid.
1. Sissejuhatus
Kuna keskkonnaprobleemidele pööratakse üha enam tähelepanu ja valitsused on pühendunud heitkoguste vähendamisele, hinnatakse elektrisõidukeid (EV) üha enam potentsiaalse lahendusena. Üks nende edu võtmetegureid on kasutatav energiasalvestussüsteem (ESS). Ideaalsel ESS-il peaks olema kõrge energia- ja võimsustihedus, suurepärane eluiga ning see peaks olema töökindlus erinevates töötingimustes, nagu sõidutsüklid, temperatuur jne. Kaubanduslikus akutehnoloogias on liitiumioonakud muutunud eelistatud valikuks puhaste elektrisõidukite (BEV-de) jaoks. ) nende suurima mahu ja kaalu energia/võimsuse tiheduse tõttu.
Liitiumioonakudel põhinevad BEV-id vähendavad märkimisväärselt nende ulatust ja võimsust madala temperatuuri ja kõrge C-kiiruse tingimustes. Toimivuse halvenemise põhjused hõlmavad elektrolüütide juhtivuse vähenemist, liitiumi tahkisdifusiooni vähenemist, grafiidianoodide suurt polarisatsiooni ja aeglast laenguülekande kineetikat. 2,2 Ah 18650 liitiumioonakude uuringus sõltub aku elektrokeemiline jõudlus tugevalt selle töötemperatuurist. Akude töötemperatuuri mõõdetakse aga tavaliselt aku pinnale kinnitatud termopaaride abil, mis ei pruugi täpselt kajastada aku sees toimuvaid elektrokeemilisi protsesse. Diferentsiaalpinge (DV) mõõtmist kasutatakse elektroodide stöhhiomeetrilise joondamise järeldamiseks tasakaalus või selle lähedal, et tuvastada võimsuse vähenemist. Laengu ülekande nähtuse vältimiseks tuleks vältida suurt voolu. DV tähistab pinge kõikumist tühjenemisvõimsuse ühiku kohta (dV/dQ), mis peegeldab töötingimuste (ümbritsev temperatuur, C-määr, SOC, impedants ja isekuumenemine) kumulatiivset mõju akule.
Selle artikli eesmärk on kasutada DV-tehnoloogiat, et ennustada akude "efektiivset takistust" erinevate pidevate tühjenemisvoolude korral ümbritseva õhu temperatuuril vahemikus -20 kuni 25 kraadi C ja seejärel ennustada nende sisetemperatuuri. Hälve aku sisemise ja mõõdetud pinnatemperatuuri vahel on otseselt seotud tühjendusvooluga ja väheneb ümbritseva õhu temperatuuri langusega. Need prognoosid võivad aidata parandada aku temperatuuri hinnangu täpsust ja täiustada juhtimisstrateegiaid akuhaldussüsteemides (BMS).
2. Uurimismeetodid
A. Katse üksikasjad
Aku käitumise uurimiseks testiti NMC positiivse elektroodiga liitiumioonakut, mis kaalus 0,97 kilogrammi. Aku nimipinge on 3,7 volti ja mahutavus 40 ampertundi. K-tüüpi termopaar on paigaldatud pehme paketi aku põhipinna geomeetrilisele keskele. Aku asetatakse Votschi kuumkambrisse ja sellele tehakse Bitrode akutsükkeli abil laadimis- ja tühjendustsüklid. Katse viidi läbi neljal erineval ümbritseval temperatuuril: -20 kraadi C, -10 kraadi C, 0 kraadi C ja 25 kraadi C. Laadimine toimub ainult 25 kraadi C juures, laadimine kiirusega 0,5 C (20 amprit), kuni pinge jõuab 4,2 voltini. Laadimisvool langeb seejärel 0.05C-ni, säilitades samal ajal pinge 4,2 volti. Kasutatavad tühjendusvoolud on 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C ja 8C. Otseselt mõõdetavad parameetrid hõlmavad aku pinget (V), mahtuvust (Ah), võimsust (W), tühjenemisenergiat (Wh) ja aku pinna (mõõdetud) temperatuuri (C kraadi). Selle aku väljalülituspinge on 2,7 volti.
B. "Sisetemperatuuri" arvutamiseks mõõteparameetrite põhjal diferentsiaalpinge tehnoloogia abil oleme sisetemperatuuri prognoosimiseks astunud järgmised sammud (vt joonis 1):
1. Pingemuutuse arvutamine:Arvutage pinge muutus (∆ V) igal ajaetapil.
2. Efektiivse takistuse arvutamine:"Efektiivne takistus" R on DV lineaarfunktsioon, mis saadakse ∆ V jagamisel tühjendusvooluga.
Joonis 1. Lihtne soojuse tootmise mudel
3. Soojuse tootmise arvutus:Arvutage igal ajaetapil Qgen=∆ V ²/R tekkiv soojus.
4. Soojusjuhtivuse arvutus:Soojusjuhtivuse arvutus aku südamikust pinnale on Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), kus k on aku tasapinnaline soojusjuhtivus, A on pindala, ja L on aku südamiku ja pinna vaheline kaugus.
5. Konvektiivsoojusülekande arvutus:Konvektiivse soojusülekande arvutus aku pinnal on Qconv=(h × A × (T-Tamb)), kus h on konvektiivne soojusülekandetegur ja Tamb on ümbritseva õhu temperatuur.
6. Temperatuurimuutuse arvutamine:Arvutage temperatuurimuutus ∆ T iga sekund kujul (QGen Qcond QConv)/(m × C). Siin on t ajasamm (sekundites), m on 0,97 kilogrammi ja C on soojusmahtuvus. Eeldades, et Qbond on t=0 sekundis null, siis kasutage eelmise ajaetapi Qbondi.
7. Sisetemperatuuri arvutamine:Arvutage sisetemperatuur, integreerides ∆ T igas ajaetapis.
See meetod annab uudse lähenemisviisi akude sisetemperatuuri täpseks ennustamiseks, võttes põhjalikult arvesse nende elektrokeemilist jõudlust ja termilisi omadusi, mis on väga oluline akuhaldussüsteemide (BMS) optimeerimisel ja aku jõudluse parandamisel.
Tabel 1. Liitium-ioonakude aku parameetrid
| Parameeter | Väärtus |
| Soojusjuhtivus, k | 0,48 W/m/ kraad |
| Pindala, A | 0.10125 m² |
| Raku paksus, L | 0.0009 m |
| Soojusvõimsus, C | 1243 J/ kraad/kg |
| Konvektiivkoefitsient, h | 10W/m²/kraad |
3. Tulemused ja arutelu
A. C-kiiruse ja ümbritseva õhu temperatuuri mõju tühjendusvõimsusele ja tühjendusenergiale
Katsetulemused näitavad, et aku poolt vabanev energia väheneb koos C-kiiruse suurenemisega ja ümbritseva õhu temperatuuri langusega. Seda seetõttu, et aku impedantsi suurenemine toob kaasa aku pinge kiirema languse, sealhulgas ioonide juhtivuse vähenemise, elektrolüüdi takistuse suurenemise, suurema anoodpolarisatsiooni, aeglasema laenguülekande ja liitiumi ebapiisava tahkefaasi difusiooni.
Joonis 2. Pinge areng tühjendusenergiaga erinevatel keskkonnatemperatuuridel ja c-kiirustel
Tühjendamisel temperatuuril 5C temperatuuril -10 kraadi C tõuseb pinge tühjendustsükli jooksul märkimisväärse aja jooksul. Selle põhjuseks on asjaolu, et isekuumenemine põhjustab aku temperatuuri tõusu, mille tulemuseks on elektrolüüdi takistuse vähenemine ioonide juhtivuse ja soolade difusioonikiiruse suurenemise tõttu, muutes seeläbi tühjenemise energia suuremaks kui isotermilise tühjenemise ajal. -10 kraadi C juures on 5C tühjenemisvõime 3,6% suurem kui 1C, kuid tühjendusenergia on 2,9% madalam; 0 kraadi C juures on 5C tühjendusvõimsus 1% kõrgem kui 1C ja tühjendusenergia 5,3% madalam, mis näitab, et isekuumenemise võimsuse kasu võib olla ülehinnatud ja suurem osa suurenenud võimsusest on kasutatakse aku soojendamiseks.
Joonis 3. Tühjenemisvõimega akude pinge areng erinevatel välistemperatuuridel ja c-kiirustel
B. C-kiiruse ja ümbritseva õhu temperatuuri mõju sisetemperatuuri ennustamisele diferentsiaalpinge abil
Joonis 4. Efektiivne takistus- ja tühjendusenergia erinevatel keskkonnatemperatuuridel ja C-kiirustel
Efektiivne takistus üldiselt suureneb ümbritseva õhu temperatuuri langedes ja C-kiiruse tõustes, mis tähendab, et tühjendustsükli mingil hetkel muutub pinge energia vabanemisega oluliselt rohkem. Madalamatel ümbritseva õhu temperatuuridel, eriti kõrge C-kiiruse korral, on efektiivne takistus kõrgem tänu madalale ioonijuhtivusele, aeglasele laenguülekandele, kõrgele elektrolüütide takistusele ja aeglasele tahkisdifusioonile. See on kooskõlas varasemate uuringutega, mis näitavad, et alalisvoolu takistus suureneb ümbritseva õhu temperatuuri languse ja C-määrade suurenemisega ning efektiivne takistus suureneb tühjenemise lõpus. Kuigi 5C tühjenemise isekuumenemise aste on -10 kraadi juures kõrge, on selle efektiivne takistus siiski kõrgeim, võib-olla lühikese tühjenemisaja tõttu.
Joonis 5. Sisetemperatuuride (I) ja mõõdetud (M) võrdlus erinevatel C kiirustel ümbritseva õhu temperatuuril 25 kraadi
Joonis 6. Sisetemperatuuri (I) ja mõõdetud (M) võrdlus erinevatel C kiirustel 0 kraadise ümbritseva õhu temperatuuril
Tühjenemise ajal tõusevad nii mõõdetud temperatuur kui ka sisetemperatuur, kõrgema temperatuuri tõusuga ja suurema sisetemperatuuri tõusuga kõrge C-kiiruse ja madala ümbritseva õhu temperatuuril. Kooskõlas teiste uuringutega on väljalasketsükli jooksul sisemiste ja mõõdetud temperatuuride maksimaalne erinevus (∆ T) võrdeline vastava C-kiirusega ja erinevus suureneb ümbritseva õhu temperatuuri langedes. ∆ T erinevates töötingimustes selles artiklis on veidi kõrgem kui uuringus, mis uuris ainult pinnatemperatuuri gradiente, kuid on rohkem kooskõlas sise- ja pinnatemperatuuri võrdleva uuringuga, mis näitab, et selle artikli hinnanguline sisetemperatuur esindab üldist keskmist. aku temperatuur ja mõõdetud temperatuur tuleneb pinnaanduri/termopaari näidudest. Erinevus aku sisetemperatuuri ja mõõdetud temperatuuri vahel üldiselt suureneb tühjenemisega, saavutab haripunkti tühjenemise keskel ja seejärel väheneb. Erinevuste suurus suureneb koos C-kiiruse ja ümbritseva õhu temperatuuri tõusuga.
Joonis 7. Sisetemperatuuride (I) ja mõõdetud (M) võrdlus erinevatel C kiirustel ümbritseva õhu temperatuuril 25 kraadi.
Joonis 8. Sisetemperatuuri areng ja mõõdetud aku temperatuuride erinevus iga 30 Wh tühjenemise järel
4. Kokkuvõte
Madalama keskkonnatemperatuuri korral võidakse isekuumenemise võimsuse eeliseid üle hinnata ja see ei pruugi tähendada aku saadaoleva energia suurenemist.
Isekuumenemise efekti piirangud:Kuigi madala temperatuuriga keskkondades võib akude isekuumenemine suurendada tühjenemisvõimsust, ei tähenda see alati, et aku poolt vabanev energia suureneb. Selle põhjuseks on asjaolu, et suurenenud võimsust saab kasutada peamiselt aku soojendamiseks, mitte töö tegemiseks või suurema elektrienergia saamiseks.
Aku efektiivne takistus on suurem suuremate tühjendusvoolude ja madalamate ümbritseva õhu temperatuuride korral.
Efektiivse takistuse ja töötingimuste vaheline seos:Efektiivne takistus on teatud töötingimustes aku oluline parameeter, mis suureneb tühjendusvoolu suurenedes ja ümbritseva õhu temperatuuri langedes. See näitab, et suure voolu tühjenemise ja madala temperatuuri tingimustes on ioonide juhtivus ja laengu ülekandmine akus rohkem takistatud.
Erinevus aku sisetemperatuuri ja aku mõõdetud pinnatemperatuuri vahel suureneb tühjendusvoolu suurenedes ja ümbritseva keskkonna temperatuuri langedes.
Temperatuuri erinevuse ja töötingimuste vaheline seos:Sise- ja pinnatemperatuuri erinevus (∆ T) on otseselt seotud tühjendusvoolu ja ümbritseva õhu temperatuuriga. See tähendab, et suure voolu tühjenemise ja madala temperatuuriga keskkondades võib aku sisetemperatuur olla palju kõrgem kui pinnatemperatuur, mis on aku soojusjuhtimise ja jõudluse optimeerimise jaoks ülioluline.
Tühjenemise tsükli ajal aku sisetemperatuuri ja aku mõõdetud pinnatemperatuuri vahe suureneb tühjenemise algfaasis, saavutab haripunkti keskmistes etappides ja seejärel väheneb tühjenemise hilises staadiumis.
Dünaamilised muutused temperatuuri erinevustes:Aku sisemise ja pinna temperatuurierinevuste trend tühjenemise ajal peegeldab aku sisemise soojusdünaamika keerukust. See erinevus suureneb tühjenemise varajases staadiumis, võib-olla aku tühjenemise alguses tekkiva soojuse kiire suurenemise tõttu. Tipptaseme saavutamine keskmise tühjenemise ajal võib olla tingitud aku kõrgeimast sisetemperatuurist, samas kui vähenemine tühjenemise lõpu poole võib olla tingitud akus tekkiva soojuse vähenemisest ja jahtumise algusest.
Need tähelepanekud on akuhaldussüsteemide (BMS) kavandamisel ja optimeerimisel üliolulised, kuna annavad väärtuslikku teavet akude käitumise kohta erinevates töötingimustes. Nende nähtuste mõistmisel ja ennustamisel on võimalik tõhusamalt juhtida aku temperatuuri, parandades seeläbi selle jõudlust ja eluiga.