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Ensayo a baja temperatura de una batería de litio para VE

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Ensayo a baja temperatura de una batería de litio para VE

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En los últimos años, los vehículos eléctricos han alcanzado un desarrollo sin precedentes, y los países están llevando a cabo activamente trabajos de investigación relacionados. En vehículos civiles, los principales fabricantes de automóviles siguen introduciendo vehículos eléctricos híbridos y vehículos eléctricos puros tecnológicamente avanzados. En cuanto a los vehículos militares, muchos países también han llevado a cabo una gran labor de investigación. En comparación con los vehículos de transmisión mecánica, los vehículos eléctricos militares tienen las siguientes ventajas: conveniente disposición del sistema de potencia; El vehículo es fácil de arrancar y acelerar; Puede lograr una conducción silenciosa con buena ocultación; Puede proporcionar una fuente de alimentación de alta potencia para los sistemas de armas montados en el vehículo; Puede absorber la energía de frenado regenerativo, etc.

Estados Unidos, Alemania, Gran Bretaña y otros países han lanzado sucesivamente vehículos eléctricos militares, como vehículos blindados eléctricos y vehículos de combate de infantería. En el rápido desarrollo de la tecnología eléctrica, algunos problemas también se han vuelto prominentes, entre los cuales el fuerte ruido de las burbujas de potencia es particularmente significativo. El rendimiento y la vida útil de las baterías de potencia afectan directamente al rendimiento y el coste de los vehículos eléctricos. En la actualidad, las principales baterías utilizadas en los vehículos eléctricos son las baterías de plomo-ácido, las baterías de níquel-cadmio, las baterías de níquel-hidruro metálico, las baterías de iones de litio y los supercondensadores.

Las baterías de iones de litio han ido sustituyendo gradualmente a las baterías de plomo-ácido, níquel-cadmio y níquel-hidruro metálico como principales baterías para vehículos eléctricos por su elevada potencia específica, gran densidad energética, larga vida útil, baja tasa de autodescarga, largo tiempo de almacenamiento y ausencia de contaminación. Los vehículos militares a menudo necesitan trabajar en regiones frías, y se les exige que funcionen normalmente a -40 ℃. Sin embargo, a bajas temperaturas, el rendimiento de carga y descarga de la batería ha disminuido significativamente. Este artículo llevará a cabo pruebas de baja temperatura en una batería de iones de litio 35A - h.

1 Prueba de la batería de iones de litio

Equipo de carga y descarga de baterías, con un voltaje máximo de 5V y una precisión de prueba de 0,1 mV; Durante el proceso de prueba, la batería probada se coloca en una cámara de temperatura para mantener la temperatura ambiente requerida para la prueba. La batería de prueba es un paquete blando (30cmx16,8cmx1,5cm) de 35 Ah de energía y potencia equilibrada de litio manganeso, con una película de plástico de aluminio como cubierta exterior.

2 Efecto de la baja temperatura en el voltaje de la batería

2.1 Efecto de la baja temperatura en el voltaje de descarga de la batería

Para investigar el efecto de la baja temperatura en el rendimiento de descarga de las baterías, primero se carga la batería a una tasa de corriente constante a tensión constante de 1/3 C a temperatura ambiente, se carga completamente y se deja reposar en una cámara de temperatura durante 5 horas. A continuación, la batería se descarga a una tasa de corriente constante con una tensión de corte de 3 V. Dentro del intervalo de temperatura de 0-40 ℃, se descarga a corrientes constantes de 10, 35, 70 y 140 A, respectivamente.

Los resultados experimentales muestran que a la misma velocidad de descarga, la tensión de descarga de la batería disminuye con la disminución de la temperatura. Tomando como ejemplo la descarga a corriente constante de 10A, en comparación con 20 ℃ a 40 ℃, la tensión media de descarga de la batería disminuye en 1V, lo que supone un 27% de la tensión nominal. A medida que disminuye la temperatura, la corriente máxima que la batería puede descargar disminuye gradualmente. A -10 ℃, la batería puede descargarse a una corriente constante de 140 A , a 0 ℃, puede descargarse a una corriente constante de 70 A, a -30 ℃, sólo puede descargarse a una corriente de 35 A, y a -40 ℃, sólo puede descargarse a una pequeña corriente de 10 A.

Cuando se descarga a baja temperatura y alta corriente, la curva de descarga muestra un estado no lineal con formas obvias de valle y pico, y el voltaje de descarga fluctúa mucho. Tomando como ejemplo la descarga a corriente constante de 70 A, a 20 ℃ y 0 ℃, la curva de descarga es relativamente normal, sin valles ni picos.

Cuando la temperatura ambiental desciende a -10 ℃, la curva de descarga muestra formas obvias de valle y pico. Cuando la temperatura ambiente desciende a -20 ℃, la curva de descarga muestra formas obvias de valle y pico, La tensión en ambos extremos de la batería disminuyó de 4,15 antes de la descarga a 3,07 V, y la caída de tensión alcanzó 1,08 V.

Posteriormente, la tensión empezó a subir, alcanzando un máximo de 3,35V, y luego empezó a disminuir. Esto indica que durante la descarga de alta corriente a bajas temperaturas, las sustancias activas de la batería no se pueden utilizar completamente debido a la baja temperatura de la batería, lo que provoca una polarización severa de los electrodos y una alta resistencia interna de la batería. Por lo tanto, en la fase inicial de la descarga, la tensión de descarga de la batería disminuye rápidamente.

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

2.2 El efecto de la baja temperatura en la tensión de carga de la batería

Para estudiar el efecto de la baja temperatura en el rendimiento de carga de la batería, se colocó la batería a diferentes temperaturas ambientales y se cargó a corriente y tensión constantes al mismo ritmo. La batería se somete primero a una descarga de corriente constante a una velocidad de 1/3 C a temperatura ambiente, con una tensión de corte de 3V. Tras la descarga, se deja reposar en una cámara de temperatura durante 5 horas. A continuación, se carga a una velocidad determinada a diferentes temperaturas, con una corriente de corte de 1 A para una carga de 10 A y de 3 A para una carga de 35 y 70 A.

A partir de las curvas de carga a diferentes temperaturas, se puede observar que, en comparación con las características de descarga de las baterías de baja temperatura, el rendimiento de carga de la batería decae más significativamente. Por debajo de 0 ℃, la batería ya no puede cargarse normalmente. Con la misma corriente de carga, a medida que disminuye la temperatura, la tensión de carga aumenta continuamente durante la etapa de carga de corriente constante, especialmente durante la carga de alta corriente. Por debajo de 0 ℃, no hay proceso de carga de corriente constante en absoluto. En el momento de la carga de corriente de carga, el voltaje terminal de la batería aumenta rápidamente hasta el voltaje de corte de 4,2 V, entrando directamente en la etapa de carga de voltaje constante.

3 La baja temperatura en la capacidad de carga y descarga de las baterías

3.1 Impacto de las bajas temperaturas en la capacidad de descarga de las baterías

Para comparar el grado de atenuación de la capacidad de descarga de la batería a diferentes temperaturas, se utiliza aquí la relación de capacidad disponible. La relación de capacidad disponible se refiere a la relación entre la capacidad de descarga de la batería y la capacidad nominal.

Cuando la temperatura ambiente desciende a -20 ℃, la batería no puede descargarse a 4C; cuando la temperatura ambiente desciende a 30 ℃, la relación de capacidad disponible para una descarga de corriente constante a 10 A desciende al 60,33%, y la batería no puede descargarse a 2C o más; cuando la temperatura desciende a -40 ℃, la relación de capacidad disponible para una descarga de corriente constante a 10 A es sólo del 22,31%, y no puede descargarse a 1 C o más.

3.2 Impacto de la baja temperatura en la capacidad de carga de la batería

A la misma tasa de carga, a medida que disminuye la temperatura ambiente, la capacidad de carga de corriente constante de la batería decae rápidamente, y la atenuación es más grave en comparación con la capacidad de descarga disponible; Cuando la temperatura desciende a 0 ℃, carga a la tasa de 1C, y la capacidad de carga de corriente constante es sólo el 52.05% de la capacidad nominal; La capacidad de carga de corriente constante es sólo el 42,55% de la capacidad nominal cuando se carga a 2C; Cuando la temperatura desciende a -10 ℃, sólo el 60,23% de la capacidad nominal se puede cargar a 10A de corriente constante, y es incapaz de cargar a 1C y 2C veces; Cuando la temperatura es inferior a -30 ℃, la batería no puede realizar la carga de corriente constante.

4 Conclusiones

(1) En un entorno de baja temperatura, con la misma tasa de descarga, la tensión de descarga y la capacidad de descarga de las baterías de ión-litio disminuyen significativamente. En comparación con la descarga, el rendimiento de carga de la batería decae más significativamente, y la tensión de carga de corriente constante de la batería aumenta significativamente, mientras que la capacidad de carga disminuye significativamente.

(2) A medida que disminuye la temperatura, aumenta la resistencia interna de la batería durante la carga y la descarga, especialmente cuando la temperatura es inferior a -20 ℃.

(3) Analizando el rango de tensiones de descarga de cuatro baterías, se comprobó que, a temperatura ambiente, la consistencia de las baterías al final de la descarga se deteriora, mientras que, a medida que disminuye la temperatura, se deteriora la consistencia de las baterías durante todo el proceso de descarga.

(4) En la práctica, en entornos de baja temperatura, es necesario utilizar un sistema de calefacción para calentar el pack de baterías de potencia con el fin de mejorar su rendimiento.