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Prueba de baja temperatura para baterías de iones de litio

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Prueba de baja temperatura para baterías de iones de litio

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La batería de litio hierro fosfato es una batería de iones de litio con mucho potencial en el mercado actual. En la actualidad, la investigación sobre la batería de litio hierro fosfato se centra principalmente en el sistema de gestión de la batería y la estimación del estado de carga. Es necesario seguir investigando su rendimiento, especialmente a bajas temperaturas. En la actualidad, los equipos desechados utilizados para la investigación científica antártica funcionan básicamente con baterías de plomo-ácido, que provocan una grave contaminación.

Sin embargo, la potencia específica y la energía específica de la batería de litio-hierro-fosfato son superiores a las de las baterías de plomo-ácido, con bajo índice de autodescarga y protección del medio ambiente, y son más adecuadas para la Antártida. El temporal de frío perenne en la Antártida, como la estación de Kunlun, que se encuentra a la mayor altitud de la Antártida, tiene una temperatura media anual de -58,4 ℃ y una temperatura mínima de -82 ℃. En este artículo se simula el entorno de bajas temperaturas de la Antártida, se realizan experimentos de carga y descarga de baterías de litio-hierro-fosfato en diferentes entornos de bajas temperaturas y se analizan los resultados experimentales, proporcionando una base para la selección de baterías y el diseño de sistemas de calefacción.

1.Prueba de carga de la batería

En esta prueba, se utilizó una fuente de alimentación estabilizada de CC para cargar la batería, y una cámara de pruebas de temperatura alterna alta y baja para simular un entorno polar de baja temperatura. Se fijaron la corriente de carga constante y la tensión de carga máxima admisible de la fuente de alimentación estabilizada de CC. Las corrientes de carga establecidas en el experimento fueron de 1, 2 y 3 A, respectivamente, y la tensión de corte de carga fue de 14,7 V. El proceso de carga de la batería es el siguiente: en la fase inicial, la corriente está en un estado de carga de corriente constante. A medida que el proceso de carga continúa, el voltaje de la batería aumenta gradualmente. Cuando se acerca a 14,7 V, cambia a carga de tensión constante, y la corriente específica disminuye gradualmente hasta alrededor de 0,2 A.

En entornos de baja temperatura, el ion litio del grafito incrustado es difícil de incrustar en el ánodo de grafito por debajo de -20 ℃, por lo que la capacidad de aceptación de carga de la batería de litio hierro fosfato se reducirá, y la velocidad de carga se reducirá en gran medida en entornos de baja temperatura que en temperatura normal. Durante el proceso de carga, la temperatura interna de la batería aumentará a menudo, lo que tendrá un impacto negativo en la carga de la batería a temperatura ambiente. Sin embargo, el aumento de la temperatura durante la carga a baja temperatura mejorará la eficiencia de carga de la batería. Debido a la disminución significativa de la capacidad de carga de las baterías cuando se cargan en entornos de baja temperatura, para estudiar el rendimiento de carga de las baterías en entornos de baja temperatura, se colocaron las baterías en diferentes entornos de baja temperatura y se cargaron a corriente y tensión constantes con diferentes corrientes. En este experimento, la carga a baja corriente se utiliza para aumentar la tasa de aceptación de carga de la batería. La corriente de carga es de 1, 2 y 3 A respectivamente. Bajo temperatura ambiente normal, -10, -20 y -30 ℃, la batería de litio hierro fosfato se carga a corriente y tensión constantes. Hay 12 grupos de experimentos en total. Se recogen y analizan los datos.

Se carga la batería de litio hierro fosfato a corriente y tensión constantes con una corriente de 3A, y se recogen y almacenan los datos cada 10min. De los datos se desprende que, durante la fase inicial de carga, la batería se carga a una corriente constante de 3A. El voltaje cambia significativamente, y la curva de voltaje sube bruscamente hasta alrededor de 13V, entrando en un periodo de meseta de voltaje. La curva sube suavemente, y finalmente el voltaje permanece constante. La corriente comienza a disminuir, bajando a unos 0,2A, y finaliza la carga.

De la comparación se desprende que, con la disminución de la temperatura ambiente, cuando la batería de litio hierro fosfato se carga con la misma corriente y tensión constante, el tiempo para que la tensión entre en el periodo de meseta se acorta. El número de veces de recogida comienza a entrar en el período de meseta de tensión en alrededor de 50 veces a temperatura normal, alrededor de 40 veces a -10 ℃, alrededor de 20 veces a -20 ℃, y menos de 20 veces a -30 ℃; La tendencia general al alza de la tensión de la batería se mantiene sin cambios, pero cuanto menor sea la temperatura, más rápido la batería alcanza el valor de tensión establecido, lo que significa que más corto es el tiempo para completar el proceso de carga. A temperatura ambiente, la batería completa el proceso de carga cuando la frecuencia de recogida es de 400 veces, 300 veces a -10 ℃, 200 veces a -20 ℃ y 120 veces a -30 ℃. Durante el experimento, también se encontró que cuando se carga con corriente constante y voltaje a la misma corriente, las etapas de carga para corriente constante y voltaje constante son diferentes a diferentes temperaturas ambientales. Cuanto más baja es la temperatura, más corta es la etapa de carga con corriente constante, e incluso entra directamente en la etapa de carga con tensión constante. Por lo tanto, al cargar la batería de la misma manera, cuanto más baja sea la temperatura, más corto será el tiempo de finalización de la carga.

2.Prueba de descarga de la batería

En este experimento, la batería de litio hierro fosfato se descargó mediante descarga de corriente constante, y se seleccionó un comprobador de capacidad de baterías de alta precisión para el experimento de descarga. Este experimento es una descarga de baja corriente, y la corriente de descarga del comprobador se ajusta a 2A. Para descargar completamente la batería, la tensión de corte de descarga se fija en 9,5 V.

Para estudiar el rendimiento de descarga de las baterías en entornos de baja temperatura, se colocaron baterías totalmente cargadas a diferentes temperaturas ambientales y se sometieron a una descarga de corriente constante a la misma corriente. En este experimento, se utiliza una descarga de corriente pequeña para mejorar la eficiencia de descarga de la batería, ya que en el entorno de baja temperatura, se utiliza una descarga de corriente pequeña, la corriente se distribuye uniformemente en el electrodo de la batería, y la reacción química dentro de la batería se lleva a cabo completamente, lo que puede aumentar la profundidad de descarga de la batería. En este experimento, se utilizó una corriente de 2A para descargar la batería de litio hierro fosfato a temperatura ambiente, -10, -20, -30 ℃, un total de 4 grupos de experimentos.

En la fase inicial de descarga de la batería, se producirá una caída brusca de la tensión, seguida de un descenso gradual que dura mucho tiempo. Al final de la descarga, la tensión caerá bruscamente hasta la tensión de corte. Los resultados experimentales muestran que, a la misma velocidad de descarga, la tensión de descarga inicial de la batería disminuye con el descenso de la temperatura. La tensión de descarga inicial es de 14,48 V a temperatura ambiente, 14 V a -10 ℃, 13,6 V a -20 ℃ y 13,3 V a -30 ℃.

El voltaje de la batería de litio hierro fosfato caerá repentinamente al comienzo de la descarga. Esto se debe a que al descargar la batería en un entorno de baja temperatura, cuando la temperatura de la batería comienza a disminuir, las sustancias activas que participan en la reacción dentro de la batería disminuyen y no pueden reaccionar completamente, lo que resulta en un aumento del efecto de polarización de la batería. Por lo tanto, en la fase inicial de la descarga de la batería, la tensión de los bornes cae bruscamente a unos 13,3 V, y la tensión de la batería izquierda y derecha comienza a mantener una descarga estable, con cambios de tensión lentos. A medida que la descarga de la batería continúa, la resistencia interna de la batería aumenta, la temperatura interna de la batería aumenta y una parte de las sustancias activas de la batería se activan. Cuando la tensión desciende hasta aproximadamente 12,5 V, la tensión de la batería vuelve a bajar repentinamente. A medida que la temperatura de la batería sigue aumentando, la resistencia interna de la batería disminuye, y el calor generado en el interior de la batería disminuye. Sin embargo, la temperatura ambiente se mantiene en 10 ℃, por lo que la temperatura de la batería comienza a disminuir y la tensión también.

El voltaje de la batería de litio hierro fosfato cambia muy rápidamente en la etapa inicial de descarga y en la etapa final de agotamiento de la capacidad de la batería, mientras que el voltaje de descarga en la etapa de meseta no cambia mucho, lo que indica que la batería puede funcionar de forma estable bajo el voltaje en la etapa de meseta. Del análisis anterior se desprende que el tiempo de descarga de la batería de litio hierro fosfato se acorta con la disminución de la temperatura ambiente, lo que indica que la capacidad de descarga de la batería de litio hierro fosfato se debilita gradualmente. Los tiempos de recogida de la descarga completa de la batería a temperatura ambiente son aproximadamente 270 veces, los tiempos de recogida de la descarga completa de la batería a -10 ℃ son aproximadamente 220 veces, los tiempos de recogida de la descarga completa de la batería a -20 ℃ son aproximadamente 100 veces, y los tiempos de recogida de la descarga completa de la batería a -30 ℃ son aproximadamente 90 veces. Cuando la batería se descarga con corriente constante, La tendencia general de la disminución de la tensión de descarga se mantiene sin cambios.

3.Conclusión

Se probó la batería de litio hierro fosfato. Se utilizó la cámara de pruebas de temperatura alterna alta y baja del laboratorio para simular el entorno de baja temperatura de la Antártida, y se llevaron a cabo los experimentos de carga y descarga de la batería de litio hierro fosfato en diferentes condiciones de temperatura con una fuente de alimentación regulada de CC y un detector de capacidad de la batería. Se llegó a la conclusión de que cuando la batería se encontraba en un entorno de baja temperatura, con el descenso continuo de la temperatura, la plataforma de tensión de descarga inicial de la batería de litio hierro fosfato disminuía gradualmente, el tiempo de carga y descarga disminuía gradualmente y la capacidad de carga y descarga disminuía.

El descenso de la temperatura afectará significativamente al rendimiento de carga y descarga de la batería; cuando la temperatura ambiente de la batería de litio hierro fosfato es de -10 ℃ o inferior, la carga de la batería con corriente baja es mayor que con corriente alta. De las conclusiones anteriores se desprende que el rendimiento de la batería de litio hierro fosfato empeora a baja temperatura. La capacidad de carga y descarga de la batería es considerable a -10 ℃. Por lo tanto, cuando se utilice en la Antártida, puede considerarse la posibilidad de calentar la batería a unos -10 ℃.