Prueba térmica de batería de litio EV

Prueba térmica de batería de litio EV

En los últimos años, los vehículos eléctricos se han desarrollado rápidamente y, como componente clave de los vehículos eléctricos, las baterías eléctricas también han experimentado un rápido desarrollo tecnológico. El rendimiento y la vida útil de las baterías eléctricas determinan directamente el rendimiento y el costo de los vehículos de transmisión eléctrica. En la actualidad, las principales baterías de energía utilizadas en los vehículos de propulsión eléctrica son las baterías de plomo-ácido, la batería de níquel-cadmio, la batería de hidruro de níquel-metal, las baterías de iones de litio y las baterías de supercondensador. Las baterías de energía de iones de litio han reemplazado gradualmente a las baterías de plomo-ácido, la batería de níquel-cadmio y la batería de hidruro de níquel-metal como las principales baterías de energía para los vehículos eléctricos debido a sus ventajas, como alta potencia específica, gran densidad de energía, larga vida, baja autonomía. Tasa de descarga, largo tiempo de almacenamiento y sin contaminación.

La batería de energía utilizada en los vehículos eléctricos se compone de varias celdas de batería dispuestas en serie y en paralelo para formar un paquete de baterías. Las celdas de la batería están dispuestas juntas y durante la carga y descarga, cada celda genera una gran cantidad de calor. El calor generado por las celdas de la batería se afectará entre sí. Si la disipación de calor no es uniforme, provocará un aumento rápido de la temperatura local del paquete de baterías, deteriorará la consistencia de la batería y acortará en gran medida su vida útil. En casos graves, se producirá una fuga térmica de algunas baterías individuales, lo que resultará en accidentes relativamente graves.

Al mismo tiempo, cuando la batería de alimentación se encuentra en un entorno de baja temperatura, el rendimiento de carga y descarga de la batería de iones de litio disminuirá significativamente. Los fabricantes y profesionales de la batería de iones de litio han realizado un gran trabajo de investigación al respecto. En la actualidad, generalmente se cree que el rendimiento a baja temperatura de la batería de iones de litio se debe a la película SEI, la impedancia de transferencia de carga superficial, la difusión de iones de litio en el electrodo y otras razones, pero los principales factores que afectan el rendimiento a baja temperatura de la batería no han sido determinadas, Durante el proceso de carga y descarga de baterías a bajas temperaturas, también se genera calor. Aún no se ha estudiado en la literatura relevante si este calor puede ayudar a restaurar el rendimiento de la batería. Por lo tanto, es necesario realizar investigaciones relevantes sobre las características térmicas de las baterías.

1 Carga y descarga de la batería a temperatura ambiente

Esta sección investiga las características de generación de calor de una batería de óxido de manganeso y litio de 35 Ah durante la carga y descarga en condiciones naturales de disipación de calor. Las celdas de la batería están suspendidas en un espacio sin disipación de calor forzada, en condiciones naturales de disipación de calor. Durante el proceso de carga y descarga de la batería, se utiliza un sistema de medición de temperatura de 16 canales para medir la temperatura de la batería.

1.1 Características de generación de calor de la descarga de la batería

En un entorno de disipación de calor natural, descargue las baterías a tasas de 0,3 C, 0,5 C, 1 C, 2 C, 3 C y 4 C, respectivamente. En primer lugar, suspenda la batería en un entorno sin disipación de calor forzada a temperatura ambiente. Antes de descargar, cargue la batería a una corriente constante a una tasa de voltaje constante de 1C/3 y déjela reposar durante 2 horas después de la carga completa; Luego realice una descarga de corriente constante a una cierta velocidad, con un voltaje de corte de 3V. Debido al hecho de que el experimento se realizó en un entorno de disipación de calor natural, la temperatura ambiente varía ligeramente en diferentes períodos de tiempo. Para facilitar la comparación, la temperatura inicial de la batería se fijó uniformemente en 20 ℃ durante el proceso de dibujo.

A partir de los resultados experimentales, se puede ver que durante el proceso de descarga, la temperatura del oído positivo de la batería es ligeramente más alta que la del oído negativo, y esta tendencia es más evidente durante la descarga de alta velocidad. A medida que aumenta la velocidad de descarga de la batería, la temperatura de los polos positivo y negativo de la batería aumenta rápidamente. Cuando se descarga a 0,3 C, la temperatura del oído positivo de la batería aumenta de 20 ℃ a 21,9 ℃, aumentando solo un 95 %;

Al descargar a 1C, la temperatura de la oreja del electrodo positivo de la batería aumentó de 20 ℃ a 24,3 ℃, un aumento del 21,5 %; Al descargar a 2C, la temperatura de la oreja del electrodo positivo de la batería aumentó en un 48 %, de 20 ℃ a 29,6 ℃; Al descargar a 4C, la temperatura del electrodo positivo de la batería aumentó de 20 ℃ a 36,96 ℃, un aumento del 84,8 %. Por lo tanto, en un entorno de alta temperatura, cuando la batería se descarga a gran velocidad, se deben tomar las medidas de disipación de calor correspondientes; de lo contrario, la batería se sobrecalentará, lo que provocará una degradación del rendimiento, una vida útil más corta e incluso un peligroso estado de fuga térmica.

Bajo diferentes tasas de descarga, la tendencia de aumento de temperatura del cuerpo de la batería es la misma que la de los electrodos positivos y negativos: el aumento de temperatura es más rápido en la etapa inicial de descarga, se ralentiza en la etapa intermedia y vuelve a aumentar rápidamente en la última etapa de descarga.

1.2 Características de generación de calor de la carga de la batería

Similar al experimento de aumento de la temperatura de descarga, durante el experimento de aumento de la temperatura de carga, la batería se suspende en un entorno sin disipación de calor forzada. En primer lugar, la batería se descarga a una tasa de corriente constante de 1C/3, con un voltaje de corte de 3V. Una vez completada la descarga, se deja reposar durante 2 horas.

Luego, la carga de voltaje constante de corriente constante se lleva a cabo a una tasa de 0.3C, 0.5C, 1C, 2C, 3C y 4C, respectivamente. La diferencia de temperatura entre los oídos positivo y negativo de la batería durante la carga es menor que cuando se descarga al mismo ritmo. Durante el proceso de carga de corriente constante, la temperatura de los oídos positivo y negativo de la batería aumenta rápidamente; Durante la etapa de carga de voltaje constante, la temperatura de los oídos de la batería comienza a disminuir, principalmente debido a la disminución continua en la corriente de carga y la disminución en la tasa de generación de calor de la batería. Por lo tanto, en el proceso de carga de baterías a corriente constante y voltaje constante, el proceso de carga a corriente constante es una etapa importante de la acumulación de calor interno en las baterías.

La temperatura de los lados frontal y posterior es casi igual, y la tendencia de aumento de temperatura del cuerpo de la batería es la misma que la de los oídos positivo y negativo. A través de los experimentos anteriores sobre la generación de calor de carga y descarga de la batería en un ambiente a temperatura ambiente sin disipación de calor forzada, se puede ver que durante la carga y descarga de alta velocidad, la temperatura de la batería aumenta rápidamente, lo que puede fácilmente dañar la batería e incluso causar daños peligrosos. las condiciones de trabajo. Por lo tanto, los vehículos eléctricos deben estar equipados con un sistema de disipación de calor para disipar el calor de la batería, con el fin de controlar la temperatura de la batería dentro de un rango razonable.

2 Descarga de batería a baja temperatura

Debido al hecho de que la prueba de carga y descarga a baja temperatura se realiza en una cámara de prueba de temperatura, no es posible analizar la generación de calor de la batería midiendo directamente la temperatura de la superficie de la batería, y solo se puede analizar en función de la curva de carga y descarga de la batería.

La batería es casi incapaz de cargarse con alta corriente a bajas temperaturas. En el experimento se utilizaron corrientes constantes de 35A y 70A para cargar la batería. Por debajo de 0 ℃, el voltaje de backend de la batería aumenta inmediatamente a 4,2 V y luego ingresa a la etapa de carga de voltaje constante. En este momento, la corriente de carga de la batería es relativamente pequeña, por lo que no hay un fenómeno de calentamiento evidente. Las baterías pueden sufrir una descarga de alta corriente a corto plazo a bajas temperaturas, por lo que se puede realizar una investigación profunda sobre la generación de calor durante la descarga de baterías de baja temperatura.

Para estudiar la generación de calor de las baterías a bajas temperaturas, las baterías se colocaron en un entorno de baja temperatura y se sometieron a una descarga de corriente constante a la misma velocidad. La batería se carga primero a una corriente constante a una tasa de voltaje constante de 1C/3C a temperatura ambiente, se carga completamente y luego se deja en una cámara de temperatura durante 5 horas.

Luego, se descarga a una tasa de corriente constante con un voltaje de corte de 3V. Dentro del rango de temperatura de 0 ℃~-40 ℃, descarga a corrientes constantes de 10A, 35A, 70A y 140A, respectivamente. Para comparar con la descarga a temperatura ambiente, la situación de descarga de la batería a 20 ℃ se muestra en la figura, y se utilizará el mismo método para el tratamiento posterior.

Los resultados experimentales indican que:

(1) Cuando se descarga a baja corriente, la generación de calor de la batería no es significativa y no hay una fluctuación significativa en la curva de descarga de la batería a diferentes temperaturas bajas.

(2) Cuando se descarga a baja temperatura y alta corriente, hay una generación significativa de calor en la batería, ya que la curva de descarga de la batería exhibe un estado no lineal con formas de pico y valle evidentes, y el voltaje de descarga fluctúa mucho.

Tomando como ejemplo una descarga de corriente constante de 70 A, cuando se descarga a 20 ℃ y 0 ℃, la curva de descarga es relativamente normal sin picos de valle. Cuando la temperatura ambiente es de -10 ℃, la curva de descarga muestra valles evidentes. Cuando la temperatura ambiente es de -20 ℃, la curva de descarga muestra picos de valle evidentes. El voltaje en ambos extremos de la batería cae de 4,15 V antes de la descarga a 3,07 V, con una caída de voltaje de 108 V. Posteriormente, el voltaje comienza a subir, alcanzando un máximo de 3,35 V, y luego comienza a disminuir. Esto indica que durante la descarga de alta corriente a bajas temperaturas, durante la etapa inicial de descarga, debido a la baja temperatura de la batería, las sustancias activas de la batería no se pueden utilizar por completo, la polarización del electrodo es severa y la resistencia interna de la batería. la batería está alta.

Por lo tanto, el voltaje de descarga de la batería disminuye rápidamente durante la etapa inicial de descarga. A medida que avanza la descarga, debido a la alta resistencia interna de la batería, se genera una gran cantidad de calor en el interior de la batería, lo que hace que la temperatura de la batería aumente rápidamente, activando la parte de material activo de la batería. Por lo tanto, el voltaje de descarga de la batería comienza a aumentar. A medida que aumenta la temperatura de la batería, la resistencia interna de la batería comienza a disminuir y el calor generado disminuye. Como la temperatura ambiente permanece en -20 ℃, la temperatura de la batería disminuye y el voltaje de descarga de la batería también disminuye.

(3) En entornos de baja temperatura, a medida que aumenta la corriente de descarga, el rendimiento de la batería mejora significativamente después de calentarse. Por lo tanto, se puede ver que a bajas temperaturas, si la batería de alimentación se precalienta, confiar en el calor generado durante el funcionamiento de la batería puede mantener completamente el rendimiento de la batería.

3 Conclusión

A medida que aumenta la corriente de carga y descarga, la temperatura de la batería aumenta rápidamente. Por lo tanto, la tasa de descarga de la batería de energía debe controlarse hasta cierto punto, y no es recomendable realizar una descarga de alta tasa durante mucho tiempo. En temperaturas ambientales altas o descarga de alta velocidad, se debe usar la disipación de calor correspondiente. Por lo tanto, los vehículos eléctricos deben instalar un sistema de disipación de calor de la batería para controlar la temperatura de la batería dentro de un rango razonable.

En entornos de baja temperatura, el calor generado durante la descarga de la batería se puede utilizar para mejorar el rendimiento de la batería a baja temperatura. Cuando se diseña un sistema de calentamiento de batería, esta característica se puede utilizar simplemente considerando precalentar la batería.