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Prueba de baja temperatura para baterías de litio EV

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Prueba de baja temperatura para baterías de litio EV

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Con el continuo desarrollo de la tecnología de las baterías de potencia, las baterías de litio hierro fosfato son reconocidas como la fuente de energía electroquímica más prometedora debido a su alta seguridad, larga vida útil, alta densidad energética y plataforma de alto voltaje, y han sido ampliamente utilizadas en el campo de los vehículos eléctricos. Las baterías de potencia son la fuente directa de energía de los vehículos eléctricos y un componente esencial de éstos. A falta de avances significativos en la tecnología de las baterías en un corto periodo de tiempo, explorar y mejorar al máximo el rendimiento de funcionamiento de las baterías se ha convertido en una dirección de investigación clave.

La temperatura de las baterías es un factor importante que afecta a su rendimiento. Las baterías de litio-hierro-fosfato tienen un rendimiento excelente a temperatura ambiente. Cuando la batería de iones de litio funciona por debajo de 0 ℃, su rendimiento de descarga se deteriorará significativamente. A medida que avanza el ciclo de carga y descarga, la capacidad de la batería sufrirá un deterioro irreversible. En el estudio de las características a baja temperatura y el mecanismo de las baterías de iones de litio, una temperatura demasiado baja puede provocar la cristalización de los electrolitos líquidos, lo que ralentiza la velocidad de migración de los iones de litio entre los electrodos positivo y negativo, dando lugar a peores características de carga y descarga a baja temperatura de las baterías de iones de litio.

En cuanto al análisis del rendimiento a baja temperatura de las baterías de iones de litio, los investigadores nacionales e internacionales han llevado a cabo una amplia investigación, que incluye análisis de primeros principios, análisis de espectroscopia de impedancia electroquímica y análisis del rendimiento de carga y descarga. Establecer un modelo térmico para las baterías de litio hierro fosfato es un método importante para estudiar sus características a baja temperatura. En la actualidad, existen tres tipos principales de modelos térmicos para las baterías de iones de litio: el modelo de acoplamiento electrotérmico, el modelo de acoplamiento térmico electroquímico y el modelo de abuso térmico.

Este artículo se centra en el análisis del rendimiento a baja temperatura de las baterías de litio hierro fosfato y en la simulación de modelos térmicos de baterías, con especial atención al rendimiento a baja temperatura de las baterías eléctricas de litio hierro fosfato. El objetivo es obtener de forma sistemática y exhaustiva las características a baja temperatura de las baterías de litio hierro fosfato, proporcionando una base teórica para su aplicación en el campo de los vehículos eléctricos.

1 Ensayo a baja temperatura y análisis de las características dinámicas

1.1 Diseño de las pruebas de rendimiento de las baterías a baja temperatura

Los pasos experimentales incluyen principalmente dos partes: pruebas de capacidad estándar a diferentes temperaturas y pruebas de características dinámicas. Los pasos experimentales pueden resumirse como sigue:

(1) Seleccione una batería individual nueva como objeto experimental y colóquela en una cámara de temperatura. Ajustar la temperatura a la temperatura ambiente de 25℃, dejarla reposar durante 2 horas, y utilizar 1 C de descarga de corriente constante para descargar la batería hasta la tensión de corte de 2,5 V

(2) Ajuste la temperatura de la incubadora al valor de temperatura experimental correspondiente, déjela reposar durante 2 horas y realice una prueba de capacidad estándar en la batería. La prueba de capacidad estándar incluye dos pasos: carga a corriente constante y tensión constante (CCCV, constant current constant voltage, corriente constante 0,5 C, tensión constante 3,65 V, corriente de corte 0,01 C), y descarga a corriente constante 1 C con una tensión de corte de 2,5 V. Este paso se utiliza para obtener la capacidad de carga y descarga de la batería a la temperatura ambiente actual;

(3) Ajuste la temperatura de la incubadora a la temperatura ambiente de 25 ℃, déjela reposar durante 2 horas y utilice el método de carga de corriente constante y tensión constante (CCCV, corriente constante 0,5 C, tensión constante 3,65 V, corriente de corte 0,01 C) para cargar completamente la batería

(4) Para comparar el rendimiento de la batería a diferentes temperaturas, se repitieron los pasos experimentales anteriores a -15, 0, 10, 25 y 40 ℃, respectivamente.

Una plataforma experimental de pruebas de rendimiento a baja temperatura de la batería de iones de litio, que incluye específicamente una cámara de alta y baja temperatura para el control de la temperatura en el entorno experimental: un sistema de pruebas de batería para las pruebas de rendimiento de la batería; Batería monocelular de litio hierro fosfato, como objeto de prueba; Software informático superior, utilizado para la programación de métodos de prueba de batería personalizados y el registro de datos de pruebas de batería. La batería monocelular utilizada en el experimento es una batería blanda de litio hierro fosfato con una capacidad nominal de 40 Ah.

1.2 Características dinámicas a baja temperatura

A partir de los datos experimentales del rendimiento a baja temperatura de las baterías, se obtienen las curvas de carga y descarga de las baterías de litio hierro fosfato a diferentes temperaturas. La carga de la batería adopta un método de carga a corriente y tensión constantes. La corriente de carga en la etapa de corriente constante es de 0,5 C, y la tensión de carga en la etapa de tensión constante es de 3,65 V. Cuando la corriente de carga es inferior a 0,01 C, la carga se detiene; la descarga de la batería adopta una descarga de corriente constante de 1 C, y se detiene cuando la tensión en los terminales de la batería desciende a 2,50 V. Se puede observar que las características de carga y descarga de una batería se ven muy afectadas por la temperatura. Cuanto más baja sea la temperatura, más pronunciadas serán las características de carga y descarga de la batería, y menor será la capacidad de carga y descarga disponible de la batería.

Análisis cuantitativo de las curvas de carga y descarga de las baterías de litio hierro fosfato para obtener los rangos de carga y descarga disponibles para las baterías a diferentes temperaturas. Se observa que cuanto menor es la temperatura, menor es el rango de carga y descarga disponible de la batería. Cuando la batería funciona a una temperatura ambiente de -15 ℃, el rango de carga y descarga disponible de la batería sólo representa el 22,2% de la capacidad nominal, lo que ya no puede satisfacer los requisitos normales de trabajo de la batería de potencia. Además, cuando la batería funciona a 40 ℃, el límite máximo recargable medido de la batería puede alcanzar el 110%. Esto se debe a que cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía libre de Gibbs de la reacción electroquímica en la batería, mayor es el trabajo eléctrico realizado y la capacidad recargable correspondiente.

Hay que tener en cuenta que el SOC es una magnitud relativa que hay que definir de antemano. En este artículo se define de la siguiente manera: utilizando el método de descarga de corriente constante de 0,01 C, la batería se descarga a 2,50 V, y el estado a la tensión de corte se define como 0% SOC; utilizando el método de carga de corriente constante y tensión constante (CCCV, corriente constante de 0,5 C, tensión constante de 3,65 V, corriente de corte de 0,01 C), el estado de la batería cuando se carga a la corriente de corte de 0,01 C se define como 100% SOC; Las definiciones anteriores se realizan todas a temperatura ambiente de 25 ℃.

2 Identificación de parámetros del modelo térmico

2.1 Identificación de los parámetros termofísicos de la batería

Basándose en el modelo de batería, identifique los parámetros del modelo mediante experimentos de carga y descarga de la batería. Durante el experimento, colocando la batería en un entorno de 20 ℃, se puede suponer aproximadamente que sólo hay transferencia de calor por convección natural en la superficie de la batería. Los experimentos de carga y descarga se realizaron a 1 C, 1,5 C, 2 C y 2,5 C, con tensiones de corte de 3,65 y 250 V, respectivamente. La reacción de carga de una batería es un proceso endotérmico, mientras que la reacción de descarga es un proceso exotérmico. Como los valores absolutos del calor de reacción durante los procesos de carga y descarga son los mismos, sólo se analiza el proceso de descarga.

El gráfico de la curva de la temperatura de la superficie de la batería a lo largo del tiempo a diferentes velocidades de descarga. Puede observarse que los valores de medición de la temperatura presentan pequeñas fluctuaciones, causadas principalmente por la alta sensibilidad de la cámara termográfica, los múltiples puntos de muestreo y la influencia de la luz ambiental. Estas pequeñas fluctuaciones no afectan a la tendencia general de los cambios de temperatura. Utilizando métodos numéricos para calcular las pendientes de cada curva, las pendientes de las cuatro curvas pueden ajustarse a una línea recta y, según la fórmula, puede calcularse la capacidad calorífica específica de la batería C=-0,00333.

2.2 Identificación de la resistencia interna de la batería

Debido a que el calor Joule causado por la resistencia interna de la batería es la principal fuente de calor, para analizar en profundidad el calor Joule durante el proceso de reacción de la batería, es necesario identificar los valores de resistencia interna de la batería a diferentes temperaturas. Realice una prueba característica de potencia de impulso híbrido (HPPC) en la batería cada 10% SOC a temperaturas experimentales de -15, 0, 10, 25 y 40 ℃.

Basándose en los datos de la prueba, se utiliza el algoritmo de mínimos cuadrados para identificar la resistencia interna de la batería en cada punto de prueba. A diferentes temperaturas, se identificó la curva de relación entre el valor de la resistencia interna de la batería y el SOC. Se puede observar que la temperatura ambiental tiene un impacto significativo en la resistencia interna de la batería, y cuanto menor es la temperatura ambiental, mayor es la resistencia interna de la batería.

3 Simulación del modelo térmico

3.1 Verificación del modelo térmico de la batería

Para verificar la precisión del modelo, se validó mediante experimentos de temperatura basados en la estructura del modelo térmico de la batería y los parámetros del modelo descritos anteriormente. El experimento se realizó a una temperatura ambiente de 24,8 ℃. Durante el experimento, la batería se descargó a una velocidad de descarga de 0,5 C, y la temperatura en el centro de la superficie de la batería se recogió en tiempo real utilizando un sensor de temperatura de resistencia de platino de alta precisión.

El modelo térmico de la batería tiene una gran precisión y puede simular el proceso real de reacción de generación de calor de la batería. A medida que se produce la reacción de descarga de la batería, la temperatura en el centro de la superficie de la batería aumenta gradualmente. Debido a la presencia de transferencia de calor por convección natural, la temperatura en el centro de la superficie de la batería alcanza gradualmente una tendencia estable a lo largo del tiempo.

3.2 Características termofísicas a baja temperatura

Mapa simulado de distribución de la temperatura en la superficie de la batería cuando se descarga a una velocidad de 0,5 C hasta una tensión de corte de 2,5 V bajo diferentes temperaturas ambientales. Se puede observar que, debido al efecto de generación de calor durante el proceso de reacción electroquímica, la temperatura de la superficie de la batería es superior a la temperatura ambiente, y la temperatura mínima de la superficie de la batería también muestra diferencias significativas a distintas temperaturas ambiente. La razón de este fenómeno es que, a medida que disminuye la temperatura, la resistencia interna de la pila aumenta siguiendo un patrón exponencial aproximado.

A temperaturas ambiente más bajas, la resistencia interna de la batería aumenta significativamente. Cuando se produce la misma velocidad de reacción de descarga en el interior de la batería, aumenta significativamente el fenómeno de generación de calor debido a la resistencia interna. Por lo tanto, de acuerdo con las condiciones límite de la transferencia de calor por convección en las baterías, la temperatura de la superficie de la batería será superior a la temperatura ambiente.

Al mismo tiempo, puede observarse que la temperatura en la parte superior de la batería, especialmente en la oreja del polo, ha aumentado significativamente en comparación con otras partes, y existe un gradiente de temperatura significativo desde la oreja del polo hasta la parte inferior de la batería. Esto viene determinado principalmente por las propiedades físicas térmicas del material de la batería. La célula de la batería está compuesta por diversos materiales anisótropos, y las orejas de los electrodos positivo y negativo de la batería están hechas de aluminio metálico y níquel metálico, respectivamente. Cuando la corriente fluye a través de las orejas de los electrodos, el área de la sección transversal disminuye significativamente, y la resistencia interna aumenta bruscamente. El efecto térmico de la resistencia interna en las orejas de los electrodos es significativamente mayor que el del núcleo de la batería. Por lo tanto, en el proceso de reacción electroquímica de la batería, la mayor parte del calor se genera en las orejas de los electrodos, y el calor se transfiere de las orejas de los electrodos a la célula por conducción térmica, formando un claro gradiente de temperatura.

4 Conclusión

Este artículo investiga las características a baja temperatura de las baterías de litio hierro fosfato para vehículos eléctricos. En primer lugar, se diseñaron y llevaron a cabo experimentos sobre el rendimiento de las baterías a baja temperatura. Los resultados experimentales mostraron que las características de carga y descarga de las baterías se ven muy afectadas por la temperatura. Cuanto más baja es la temperatura, más pronunciadas son las características de carga y descarga de las baterías, y menor es la capacidad de carga y descarga disponible de las baterías. En segundo lugar, se estableció un modelo térmico y un método de identificación de parámetros a baja temperatura para las baterías de litio hierro fosfato. Por último, se realizó un estudio de simulación del modelo térmico de las baterías de litio hierro fosfato.

Los resultados de la simulación muestran que el modelo térmico de batería propuesto en este trabajo tiene una gran precisión y puede simular el proceso real de reacción de generación de calor de la batería. En el proceso de reacción electroquímica de las baterías, la mayor parte del calor se genera en las orejas de los electrodos, y el calor se transfiere de las orejas de los electrodos a la célula por conducción térmica, formando un gradiente de temperatura significativo. A medida que disminuye la temperatura ambiente, la diferencia de temperatura entre la superficie de la batería y la temperatura ambiente se hace mayor, y el gradiente de temperatura en la parte inferior de la superficie de la batería aumentará gradualmente.