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Prueba de resistencia de baterías de iones de litio para aviación

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Prueba de resistencia de baterías de iones de litio para aviación

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Como componente importante de las naves espaciales, las baterías de iones de litio de óxido de cobalto proporcionan energía a la mayoría de los sistemas electrónicos. El rendimiento de las baterías de iones de litio afecta directamente a la seguridad, fluidez y economía del funcionamiento de las naves espaciales. Los requisitos de rendimiento de las baterías en condiciones de aviación pueden dividirse a grandes rasgos en tres puntos: buena estabilidad térmica, alta energía específica y larga vida útil. En comparación con otras baterías de litio tradicionales, las baterías de iones de cobalto presentan múltiples ventajas, como un funcionamiento fiable en entornos de baja temperatura, una salida de tensión estable, una elevada energía específica y múltiples ciclos, cumpliendo los requisitos para condiciones extremas como las aeroespaciales.

El tamaño de la resistencia interna de una batería determina directamente su capacidad y, al mismo tiempo, la resistencia interna de una batería también determina su eficiencia de trabajo. En el uso real de las baterías, la resistencia interna de las baterías de iones de litio cambia constantemente bajo diferentes temperaturas ambientales y condiciones de SOC. En la investigación práctica, la combinación de la curva de variación de la resistencia interna de la batería puede estimar con mayor precisión el SOC real de la batería.

Mediante pruebas experimentales, se descubrió que a medida que disminuye la temperatura, la resistencia óhmica y la resistencia de polarización de la batería de fosfato de hierro aumentan gradualmente durante la carga y la descarga. La temperatura es un factor importante que afecta a la resistencia interna de las baterías. La temperatura ambiente tiene un impacto significativo en la capacidad de las baterías de litio hierro fosfato. A bajas temperaturas, la capacidad decae rápidamente, mientras que a altas temperaturas, la capacidad aumenta rápidamente. Sin embargo, el ritmo de cambio es más lento que a bajas temperaturas.

Teniendo en cuenta la seguridad de las baterías aeroespaciales en uso y la falta de investigación sobre las características de resistencia interna de las baterías de iones de litio de óxido de cobalto por los estudiosos, las pruebas de temperatura de las baterías de iones de litio aeroespaciales son necesarias. Este artículo utiliza 0-50 ℃ para realizar pruebas de resistencia interna en baterías de iones de litio de óxido de cobalto, y utiliza el método HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) para probar baterías ICP 45 de 45 Ah bajo diferentes temperaturas ambientales y estados SOC. Se estudian en detalle los cambios en la resistencia interna de las baterías de ión-litio de óxido de cobalto bajo diferentes temperaturas ambientales y SOC.

1 Ensayo

1.1 Sujetos de ensayo y equipo

La batería experimental utilizada fue una batería de iones de litio de óxido de cobalto ICP 45. La capacidad nominal de la batería es de 45 Ah, y el material del electrodo positivo es óxido de cobalto y litio. Equipo de carga y descarga de la batería. La caja de temperatura constante adopta la cámara de pruebas de temperatura y humedad DGBELL.

1.2 Prueba HPPC y método de cálculo de la resistencia interna

Existen muchos métodos para probar la resistencia interna de las baterías de litio, entre los que se incluyen el método de la curva característica voltio-amperio, el método de la tensión en circuito abierto, el método de la característica de potencia de impulso mixto (HPPC) y el método de la impedancia de CA. En este artículo se utiliza el método HPPC para probar la resistencia de las baterías de litio, que está registrado en el proyecto Freedom CAR "Power Assisted Hybrid Vehicle Power Battery Test Manual" de Estados Unidos. En comparación con otros métodos de detección de resistencia interna, este método presenta ventajas significativas en cuanto a precisión y eficacia de la detección. El método HPPC puede utilizarse para medir la resistencia de polarización y la resistencia óhmica de las baterías en varios estados.

En primer lugar, se aplica una corriente de impulsos de descarga en ambos extremos de la batería, y la tensión desciende hasta U 1 en el momento de la carga de impulsos; a continuación, la tendencia descendente se ralentiza. Después de que la corriente continúe durante 10 segundos, la carga por impulsos se cancela en el tiempo t 2, y la tensión se recupera instantáneamente hasta U 3. Tras esperar 40 segundos, la tensión se estabiliza en U 4. El proceso escalonado de U 2 a U 3 se origina en la resistencia óhmica interna de la batería, mientras que el proceso gradual de U 3 a U 4 es una caída de tensión a ambos lados de la resistencia de polarización, y la tensión tiende a estabilizarse en U 4. HPPC calcula la resistencia óhmica y la resistencia de polarización de una batería comprobando los cambios de tensión durante la fase inicial de carga de corriente. Midiendo la tensión en el experimento de descarga, calcula la resistencia interna de carga y descarga bajo diferentes estados de carga.

1.3 Pasos de la prueba

Paso 1: Activar la batería de óxido de litio-cobalto mediante experimentos cíclicos de carga y descarga. La tensión límite superior del ICP 45 es de 4,15 V, y la tensión fuera de línea es de 3,0 V. Realice ciclos de carga y descarga tres veces, cargando a una velocidad de 0,2 C y descargando a una velocidad de 0,1 C. Después de cada carga o descarga, déjela reposar durante 12 horas;

Paso 2: Empiece a descargar la batería ICP 45 100% SOC a una velocidad de 0,5 C y registre el tiempo de descarga. Después de descargarla durante 12 minutos (el 90% SOC restante de la batería se deja reposar durante 1 hora), inicie la prueba característica de potencia de impulso mixto y registre la tensión de circuito abierto, la corriente de descarga OCV y el tiempo;

Paso 3: Repita los pasos del segundo paso, registre la tensión de circuito abierto y la corriente de descarga de la batería al 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% y 0% a diferentes SOC, y calcule la resistencia óhmica y la resistencia de polarización; Paso 4: Apague la carga electrónica y la alimentación de carga, desconecte el relé y envíe los datos a una hoja de cálculo Excel.

2 Resultados y análisis de las pruebas

2.1 Análisis de las características de la resistencia óhmica interna

La resistencia interna de las baterías de litio-óxido de cobalto se compone de la resistencia interna óhmica y la resistencia interna de polarización. A través del análisis de los datos experimentales, se puede concluir que a medida que disminuye la temperatura, la resistencia interna óhmica aumenta continuamente. La razón principal es que la resistencia óhmica interna de las baterías de ión-litio de óxido de cobalto se compone principalmente de electrolito, conectores eléctricos y electrodos positivo y negativo. Cuando la temperatura ambiente es baja, la solubilidad de los iones de litio en el electrolito dentro de la batería de ión-litio de óxido de cobalto disminuye rápidamente, provocando que los iones de litio precipiten en el electrolito, reduciendo la concentración de iones de litio por unidad de volumen, ralentizando la velocidad de difusión de los iones de litio en el electrolito y aumentando la resistencia óhmica interna de la batería.

Comparamos las características de variación de la resistencia interna óhmica con el SOC a 0, 10, 20, 30 ℃ y 50 ℃, y comprobamos que el SOC de las baterías de iones de litio de óxido de cobalto varía lentamente dentro del intervalo operativo de (20%, 100%) a temperaturas ambiente superiores a 20 ℃. Por ejemplo, bajo la condición de 30 ℃, la resistencia óhmica interna de las baterías de iones de litio de óxido de cobalto se mantiene estable en 0,7 m Ω durante el funcionamiento normal. Por lo tanto, la resistencia óhmica interna de la batería dentro de este rango de temperatura en SOC (20%, 100%) puede considerarse como un valor constante.

La resistencia óhmica interna es extremadamente sensible a los cambios de temperatura ambiental, y cuando la temperatura es inferior a 10 ℃, la resistencia óhmica interna de la batería cambia significativamente con el SOC de la batería. Cuando el SOC de la batería está en un estado alto, el movimiento de iones dentro de la batería es más activo, lo que compensa la disminución de la actividad del electrolito y tiene un impacto menor en la resistencia óhmica. Pero a medida que el SOC de la batería disminuye, la energía iónica interna de la batería también disminuye, lo que provoca un rápido aumento de la resistencia óhmica. A través de las dos curvas de 10 ℃ y 0 ℃, se puede observar que a medida que disminuye la temperatura, la resistencia óhmica interna aumenta a un ritmo más rápido con el aumento del SOC de la batería.

2.2 Análisis de las características de resistencia interna de polarización y resistencia interna total

Podemos concluir que la resistencia de polarización de las baterías se ve afectada principalmente por la temperatura, lo que está relacionado con la ralentización de la velocidad de difusión de la concentración a bajas temperaturas. A 0 ℃, la resistencia de polarización de la batería es casi tres veces superior a la de 50 ℃ en las mismas condiciones. A la misma temperatura, la resistencia de polarización de la batería cambia muy poco, especialmente cuando el SOC está dentro del rango de (20%, 90%), y la resistencia de polarización de la batería puede considerarse como un valor constante.

La resistencia de polarización de las baterías de ión-litio de óxido de cobalto aumenta con la disminución del SOC de la batería dentro del rango de (0%, 20%). La resistencia interna de polarización de las baterías de ión-litio de óxido de cobalto aumenta con la disminución de la temperatura. Esto se debe a que la actividad del litio disociado aguas abajo de la batería de iones de litio de óxido de cobalto disminuye a bajas temperaturas, lo que dificulta la desintercalación en el electrodo negativo, dando lugar a un aumento de la resistencia interna de polarización de la batería. Cuando la temperatura es alta, la energía de los iones de litio en el electrodo negativo de la batería es elevada, lo que acelera la velocidad de difusión de los iones

Con un SOC entre el 0% y el 20%, la resistencia óhmica y la resistencia de polarización de las baterías de iones de litio aumentan gradualmente con la disminución del SOC. Sin embargo, el aumento de la resistencia óhmica interna a medida que disminuye el SOC es significativamente mayor que el de la resistencia de polarización interna, lo que indica que la resistencia óhmica interna es más sensible al SOC de la batería. En el mismo estado de SOC, tanto la resistencia de polarización como la resistencia óhmica aumentan gradualmente con la disminución de la temperatura. Mediante el análisis de los datos, se descubre que la amplitud del aumento de la resistencia de polarización con la disminución de la temperatura es significativamente mayor que la de la resistencia óhmica, lo que indica que la resistencia de polarización es más sensible a las bajas temperaturas.

Cuando la temperatura es baja, la resistencia interna de polarización de la batería es relativamente alta, pero sólo representa una cuarta parte de la resistencia interna total de la batería, y su impacto sobre la capacidad y la eficiencia de trabajo de la batería es relativamente limitado. Aunque la resistencia a la polarización de la batería aumenta más del doble a bajas temperaturas en comparación con la temperatura ambiente, en comparación con otras resistencias, especialmente las baterías de fosfato de hierro y litio o de plomo, la resistencia a la polarización de las baterías de hierro y litio con óxido de cobalto sigue teniendo una buena estabilidad a la temperatura.

Analizando la relación entre la resistencia interna de la batería y el SOC, se concluye que en el rango de SOC (0%, 20%), la resistencia interna total de la batería aumentará con la disminución del SOC de la batería. Una resistencia interna elevada provocará un aumento de la generación de calor de la batería y acortará su vida útil. Un uso inadecuado hará que la batería se descargue excesivamente y quede inutilizable. Por lo tanto, para prolongar la vida útil de la batería, es aconsejable mantenerla funcionando dentro del rango de SOC del 30% al 100%.

Analizando la relación entre la temperatura y la resistencia interna de la batería, se concluye que la resistencia interna de la batería aumentará con la disminución de la temperatura, y un aumento de la resistencia interna de la batería provocará una disminución de su capacidad. Para garantizar la eficiencia de la batería, es aconsejable mantenerla funcionando por encima de 10 ℃ en la medida de lo posible. Cuando la temperatura es inferior a 10 ℃, con el fin de evitar el impacto del entorno de baja temperatura en la eficiencia de la batería, es necesario calentar el paquete de baterías antes de arrancar la batería. Debido a que la batería genera calor durante el funcionamiento, no es necesario calentar la batería durante el funcionamiento.

3 Conclusión

En este artículo se realizan experimentos con baterías de óxido de litio-cobalto de aviación, se analizan los cambios en la resistencia óhmica y la resistencia interna de polarización de las baterías a diferentes SOC y temperaturas, y se resumen las razones de los cambios correspondientes. La resistencia de polarización y la resistencia óhmica de las baterías de ión litio con ácido de perforación aumentan con la disminución de la temperatura. La resistencia de polarización es más sensible a la temperatura, mientras que la resistencia óhmica se verá afectada por la temperatura y el SOC. Por la característica de que la resistencia de polarización de las baterías de óxido de cobalto y litio aumenta con la disminución de la temperatura, es necesario calentar el paquete de baterías a bajas temperaturas para mejorar la capacidad y la eficiencia de la batería.