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Prueba de seguridad térmica de la batería de iones de litio

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Prueba de seguridad térmica de la batería de iones de litio

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Las baterías de iones de litio tienen grandes perspectivas de aplicación por su alta densidad energética y baja autodescarga. Sin embargo, durante su uso se genera una gran cantidad de calor y la temperatura interna de la batería aumenta rápidamente. A menudo se producen accidentes caracterizados por el desbordamiento térmico, que tienen graves consecuencias. Por ello, es muy necesario estudiar la seguridad térmica de las baterías.

Académicos nacionales y extranjeros han realizado una serie de estudios sobre la seguridad de las baterías. Entre otros:

Análisis de los factores que influyen en las pruebas de seguridad de las baterías.

Se estudiaron mediante experimentos las curvas características de tensión de trabajo y aumento de temperatura de las baterías de iones de litio.

Se analizaron estadísticamente una serie de procesos de evolución de accidentes de baterías de energía y se propuso que el problema central de los accidentes de baterías es el desbocamiento térmico.

Se proponen tecnologías de desarrollo muy avanzadas para las baterías de potencia, incluido un electrolito que no pueda evaporarse ni tener fugas, y el embalaje de las baterías con materiales resistentes.

Basándose en el análisis de los accidentes típicos de baterías incendiadas en el país y en el extranjero, se proponen algunos métodos de control posibles, como la mejora de la estabilidad térmica de los materiales de las baterías, el uso de electrolitos seguros y el diseño de nuevos sistemas de extinción de incendios.

Se analizan mediante experimentos las características de funcionamiento de las baterías de iones de litio y la influencia de factores como la velocidad de carga y descarga y la temperatura ambiente en el rendimiento de las baterías.

Se analizó el proceso de generación de calor de la batería, incluida la descomposición de la película SEI, el electrolito y el electrodo positivo, así como la reacción entre el electrodo negativo y el electrolito, el electrodo negativo y el adhesivo.

Se estudió el control de la temperatura de la batería mediante el almacenamiento térmico de material de cambio de fase a través de métodos experimentales y de cálculo numérico.

Mediante el análisis de datos experimentales, se analizó el impacto de la velocidad de carga y descarga, la temperatura ambiental y el estado de carga en las características térmicas de las baterías. Las mayores tasas de carga y descarga, las menores condiciones ambientales y el mayor estado de carga influyen en el aumento de temperatura de las baterías. Al mismo tiempo, se analizó la proporción de la resistencia interna óhmica y la resistencia interna de polarización en el proceso de carga y descarga de la batería eléctrica de iones de litio.

1 Ensayo

El sistema experimental para la respuesta de calentamiento eléctrico de la carga y descarga de la batería de alimentación incluye principalmente la batería, la cámara de temperatura constante, el dispositivo de carga y descarga, el termopar, el dispositivo de adquisición de datos, el ordenador, etc. La batería adopta una batería de potencia cuadrada de litio hierro fosfato (130 mm x 70 mm x 22 mm), con una capacidad nominal de 20 Ah para baterías individuales.

Se utiliza un equipo de prueba automático para la carga y descarga con el fin de lograr una carga y descarga de corriente constante. Se utiliza un instrumento de adquisición de datos para recoger la temperatura de la superficie de la batería, donde el termopar es de tipo K. Los termopares se disponen en el centro de los electrodos positivo y negativo de la batería, así como en la parte frontal y lateral de la batería. Puesta en marcha controlada por ordenador y registro sincrónico de datos.

Se realizaron experimentos de simulación de baterías de potencia de una sola célula, con carga y descarga de corriente constante a 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C y 1 C, para comprobar los cambios en la temperatura de la superficie de la batería durante el proceso de carga y descarga en condiciones naturales de disipación de calor ambiental. Carga a 3,6 V y descarga a 2,0 V para completar el experimento.

2 Resultados y análisis

La variación de la temperatura y la resistencia interna de la batería a lo largo del tiempo en diferentes puntos de medición cuando se carga a 1 C de corriente constante. Se puede observar que el patrón de aumento de temperatura en diferentes posiciones de la superficie de la batería es similar. El aumento de temperatura es relativamente suave antes del proceso de carga durante 2500 s, pero después de 2500 s, la temperatura en varios puntos de la superficie de la batería aumenta bruscamente. El análisis sugiere que al final de la carga, la polarización de la batería se vuelve clara, y la resistencia interna de polarización aumenta, lo que provoca un fuerte aumento de la velocidad de calentamiento de la batería.

Si se comparan las temperaturas en diferentes lugares, se observa que la temperatura de la batería no es uniforme. Al final de la carga, la diferencia máxima de temperatura puede alcanzar los 10 ℃.

Resuma la ley de variación de la resistencia interna total de la batería a lo largo del tiempo durante el proceso de carga a corriente constante de 1 C. Se puede observar que la resistencia interna total de la batería no cambia mucho durante el proceso de carga. Sólo en la última etapa de la carga, la polarización de la batería aumenta bruscamente, y el aumento de la resistencia interna de polarización conduce a un aumento de la resistencia total.

Al final de la carga de una batería de potencia única, el aumento de temperatura de la batería varía con la corriente de carga. Los aumentos de temperatura correspondientes a la carga a 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C y 1 C son de 11,9 ℃, 14,5 ℃, 28,5 ℃ y 38,6 ℃, respectivamente. Se observa que cuanto mayor es la velocidad de carga, mayor es la potencia calorífica de la batería. En condiciones de transferencia de calor por convección natural, mayor es el aumento de temperatura en la superficie de la batería.

Proceso de descarga de una batería monocelular a 1 C de corriente constante: cambios de temperatura en varios puntos de la superficie de la batería a lo largo del tiempo. Puede observarse que el patrón de aumento de temperatura en las distintas posiciones es similar: durante el relé de descarga, la temperatura aumenta unos 25,2 ℃.

Al final de la descarga de una batería de potencia única, el aumento de temperatura de la batería varía con la corriente de carga. Los correspondientes aumentos de temperatura para la carga a 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C y 1 C son 7,4 ℃, 15,8 ℃, 23,8 ℃ y 25,2 ℃, respectivamente. Se observa que cuanto mayor es la velocidad de descarga, mayor es el aumento de temperatura en la superficie de la batería.

3 Conclusión

Al realizar el proceso de carga y descarga de una batería monocelular de 20 Ah y medir la temperatura en diferentes posiciones de la superficie de la batería, se obtuvieron una serie de patrones. El proceso de carga a corriente constante de una batería de potencia única provoca un fuerte aumento de la temperatura de la batería al final del periodo de carga. La distribución de la temperatura de las baterías individuales es desigual, y la temperatura de los electrodos positivo y negativo de la batería es superior a la de otras zonas.