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Ensayo de uniformidad térmica de baterías de iones de litio

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Ensayo de uniformidad térmica de baterías de iones de litio

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Durante el proceso de conducción de los vehículos eléctricos, la batería de a bordo se carga y descarga continuamente, lo que va acompañado de una gran generación de calor. La temperatura de la batería influye considerablemente en la velocidad de reacción electroquímica, la capacidad de carga, la seguridad, la vida útil, la potencia específica y la energía específica.

Al mismo tiempo, debido a las diferentes condiciones externas de disipación del calor, los métodos de gestión térmica y las posiciones individuales de disposición espacial de la batería, las diferencias de temperatura entre las distintas partes de los monómeros dentro del pack de baterías y entre los distintos monómeros pueden afectar seriamente a la consistencia del rendimiento del pack de baterías.

Por lo tanto, es necesario tomar medidas mejoradas de transferencia de calor dentro del pack de baterías para mejorar la uniformidad de la temperatura de su superficie de monómeros y en general. Las láminas de grafito de alta conductividad térmica GTS, con su baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica y superficie relativamente blanda, pueden reducir eficazmente la resistencia térmica de contacto, convirtiéndolo en un nuevo tipo ideal de material de carbono de alta conductividad térmica

Este artículo toma como objeto de investigación las baterías cuadradas de iones de litio utilizadas en vehículos eléctricos. Se fabricó un paquete de baterías de control con y sin GTS, y se construyó un banco de pruebas de efectos térmicos para el paquete de baterías. Mediante el análisis de los cambios en la diferencia de temperatura entre la superficie de las celdas de la batería y diferentes posiciones del paquete de baterías durante la descarga de corriente constante, se estudió el efecto de GTS en la mejora de la uniformidad térmica de los paquetes de baterías de iones de litio

1 Prueba

1.1 parámetro de batería

Tamaño :180 mm x 100 mm x 32 mm

Peso : 1250 g

Tensión : 3,2 V

Capacidad : 40 Ah

Resistencia interna : ≤2Ω

1.2 Diseño estructural de la batería

Para verificar el efecto del GTS en la uniformidad térmica de los monómeros de las baterías de iones de litio y los paquetes de baterías, se fabricaron dos tipos de paquetes de baterías con y sin GTS. El pack de baterías A consistía en seis baterías de litio hierro fosfato conectadas en serie, con sensores de temperatura fijados a la superficie de los monómeros y material aislante de PET en la periferia. El pack de baterías B sirvió como grupo experimental de control para el pack de baterías A. El GTS se distribuyó uniformemente en el lateral de cada célula de batería, con un total de 7 piezas. El tamaño de cada GTS es de 180 mm x 0,27 mm x 100 mm. Para reducir el impacto del flujo de aire por encima de la incubadora en la distribución de la temperatura en el interior de la batería, se instaló una cubierta sobre la batería para sellarla durante el experimento.

1.3 Equipo de pruebas

Se construyó un banco de pruebas para comprobar la eficiencia térmica de los paquetes de baterías durante los procesos de carga y descarga. Entre ellos, la carga electrónica es una batería. La cámara de temperatura constante es una cámara de pruebas de humedad a alta y baja temperatura DGBELL, con una fluctuación de temperatura de 0,3 ℃ {-40~100 ℃). El instrumento de adquisición de temperatura termopar: El sensor de temperatura es un termopar tipo K, con una precisión de ± 0,5 ℃.

1.4 Proceso de prueba

Construye un banco de pruebas y escribe un programa de control de descarga de corriente constante de las baterías. Antes de la prueba, el voltaje total de las seis baterías era de 19,62 V, y la temperatura de la incubadora se fijó en 18 ℃. Cuando la temperatura del punto de medición del termopar se aproximó a 18 ℃ y se estabilizó, se inició la descarga de corriente constante de 1 C (I= - 40 A). Durante este período, la frecuencia de muestreo del colector de señales del termopar fue de 4 segundos. Después de la tensión de corte de

15.6 V, se puso fin a la descarga de corriente constante de 1 C y se guardaron los datos.

2 Resultados de las pruebas y análisis

2.1 Uniformidad térmica de la superficie de la célula de la batería

Durante el funcionamiento de las baterías de iones de litio, las orejas polares y el centro de la batería son puntos de temperatura representativos. Por lo tanto, se seleccionan dos puntos de medición simétricos cerca de la oreja positiva y negativa para estudiar la diferencia de temperatura en la dirección horizontal de la célula de la batería. Seleccione dos puntos de medición en la línea central vertical de la superficie de la célula de la batería, situados en el centro de la batería y cerca de la parte superior de la batería, para estudiar la diferencia de temperatura en dirección vertical

Al descargar a una velocidad de 1 C, analizando la relación entre el valor absoluto de la diferencia de temperatura en la dirección horizontal de la superficie unicelular de la batería y el tiempo de descarga, se observa que la temperatura en los lados izquierdo y derecho de la dirección horizontal de la superficie unicelular del pack de baterías A es desigual, con una diferencia de temperatura de unos 0,18 ℃. Sin embargo, la diferencia de temperatura en la dirección horizontal de la superficie unicelular del pack de baterías B es sólo de unos 0,05 ℃, lo que supone un 70% menos que la del pack de baterías A, lo que indica que el GTS puede desempeñar un papel en la distribución del calor de impacto horizontal.

Cuando se descarga a una velocidad de 1 C, al analizar el diagrama de dispersión de la diferencia absoluta de temperatura en la dirección vertical en la superficie de la célula de la batería, se observa que el cambio de temperatura en la dirección vertical de la superficie única del pack de baterías A es más grave, y la diferencia máxima de temperatura alcanza 0,45 ℃. La diferencia de temperatura en la dirección vertical de la superficie única del pack de baterías B sigue manteniéndose en torno a 0,05 ℃. Transcurridos 2700 segundos, la diferencia de temperatura empieza a aumentar con la acumulación de calor, con un valor máximo de 0,26 ℃, pero sólo el 58% de la del pack de baterías A. Esto indica que el GTS también puede desempeñar un papel en la distribución media del calor en la dirección vertical.

Mediante la comparación, se puede observar que durante la descarga a una velocidad de 1 C, la diferencia de temperatura horizontal en la superficie de la celda de la batería es menor que la diferencia de temperatura vertical, y la fluctuación de la diferencia de temperatura vertical es más grave, lo que está relacionado con la estructura y el tamaño físico de la batería. Después de colocar el GTS en la superficie de la célula de la batería, la diferencia de temperatura entre las direcciones horizontal y vertical en la superficie de la célula es similar y se mantiene dentro de un rango pequeño, lo que indica que el GTS puede mejorar eficazmente la uniformidad térmica de la superficie de la célula.

2.2 Uniformidad térmica interna de la batería

Los cuatro conjuntos de valores de diferencia de temperatura son más pequeños, lo que indica que cuando la batería no está funcionando, el GTS puede mejorar la uniformidad de la temperatura del pack de baterías, lo que resulta beneficioso para prolongar la vida útil de almacenamiento de la batería. A medida que se profundiza la descarga, el calor interno del pack de baterías se acumula gradualmente, y el valor de la diferencia de temperatura suele aumentar. Sin embargo, en comparación con el pack de baterías A, la tendencia de la diferencia de temperatura del pack de baterías B es más uniforme, y el valor máximo de la diferencia de temperatura es menor (0,41 ℃), mientras que en el pack de baterías A es de 0,47 ℃.

Cuanto menor sea la diferencia de temperatura media, mejor será la uniformidad de la temperatura en el interior del pack de baterías. De los datos experimentales se desprende que, antes de 2600 s, la diferencia de temperatura media en el pack de baterías B era menor y el aumento era relativamente suave, lo que indica que el GTS puede mejorar la uniformidad térmica de todo el pack de baterías.

El gráfico de dispersión de la varianza muestra que cuanto mayor es el valor de la varianza, mayor es la dispersión de los valores de medición de la temperatura de los cinco termopares en ese momento, lo que significa que la uniformidad de la temperatura del pack de baterías es peor. El valor de varianza del pack de baterías B se mantiene en torno a 0,18, con un valor máximo de sólo 0,36. La varianza máxima del pack de baterías A alcanza 120, que es 3,33 veces la del pack de baterías B, lo que indica que el GTS puede mejorar eficazmente la uniformidad de la temperatura en el interior del pack de baterías

3 Conclusiones

Mediante la comparación y el análisis de la diferencia de temperatura superficial de los paquetes de baterías con y sin GTS en condiciones de descarga de corriente constante de 1 C, se estudió el efecto de las láminas de grafito de alta conductividad térmica en la mejora de la uniformidad de la temperatura de las baterías cuadradas. Se extrajeron las siguientes conclusiones.

(1) Durante el proceso de descarga, la diferencia de temperatura horizontal en la superficie de la célula de la batería es menor que la diferencia de temperatura vertical, lo que significa que las láminas de grafito de alta conductividad térmica pueden reducir eficazmente esta diferencia, equilibrar el calor entre las distintas partes de la superficie de la célula de la batería y mejorar la uniformidad térmica de la superficie de la célula de la batería.

(2) Como medida de mejora de la transferencia de calor, las láminas de grafito de alta conductividad térmica pueden mejorar eficazmente la uniformidad térmica en el interior de la batería, y pueden utilizarse como medida auxiliar de mejora de la transferencia de calor para los sistemas de gestión térmica de baterías de automoción, como el uso de materiales de cambio de fase para las placas de refrigeración, con el fin de equilibrar la distribución del calor de la batería y mejorar el rendimiento del sistema de gestión térmica