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Prueba térmica de la batería de litio

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Prueba térmica de la batería de litio

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El paquete de baterías es el componente más importante de un vehículo eléctrico, ya que proporciona energía para su funcionamiento, y su rendimiento afecta directamente a las prestaciones de trabajo del vehículo eléctrico. Un requisito básico de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos es que ofrezcan un rendimiento fiable y seguro. Durante el proceso de carga y descarga de las baterías, se generan diversas tensiones debido a las reacciones electroquímicas acompañadas de una gran cantidad de calor. Especialmente cuando la corriente de carga y descarga es demasiado grande, es más probable que se produzcan efectos de polarización, haciendo que el voltaje de la batería sea artificialmente alto, y al mismo tiempo, la generación de calor aumentará significativamente, y se potenciará el efecto térmico. El rápido aumento del calor interno de la batería provocará daños irreversibles en los iones de sustancia activa que se encuentran en su interior, lo que afectará gravemente al rendimiento de la batería y reducirá en gran medida su vida útil. Por lo tanto, analizar las características térmicas de las baterías es útil para el uso seguro de los vehículos eléctricos.

1 Simulación del pack de baterías

La resistencia interna de un único pack de baterías de litio hierro fosfato para vehículos eléctricos es de 7 mΩ, la capacidad de la batería es de 10 A - h, la tensión de corte de carga es de 4,23 V, y la longitud, anchura y altura de la batería única con una masa de 0,27 kg son 65 mm, 22 mm y 104 mm, respectivamente; El radio del polo es de 2,25 mm y la altura es de 6,00 mm. El conjunto de baterías está formado por cuatro en paralelo y doce en serie. La corriente de descarga total a una tasa de 1 C es de 40 A, y la corriente real a través de una sola batería es de 10 A. Establecimiento de un modelo térmico del pack de baterías mediante ANSYS.

1.1 Condiciones límite del campo de flujo térmico en la cámara de la batería

El campo de flujo térmico en el interior de la cámara de la batería se resuelve utilizando un campo de acoplamiento térmico de fluidos. Las condiciones de transferencia de calor convectivo pueden utilizarse directamente en el campo de flujo, sin necesidad de establecer condiciones de contorno para el campo térmico. Las condiciones de contorno de importación y exportación incluyen la temperatura, la velocidad del aire y la presión del aire. Ajuste la temperatura de entrada a la temperatura ambiente de 20 ℃ y la presión de salida a 0. El caudal de aire es uno de los principales factores que afectan a la disipación de calor de la cámara de la batería. En este artículo se estudiarán los efectos de la ventilación natural y la ventilación forzada en las características térmicas de las baterías. Debido a la pequeña diferencia de temperatura entre la cámara y el exterior, y al pequeño intercambio de calor con el exterior, la condición de contorno de la pared se establece como una frontera adiabática de temperatura constante.

1.2 Análisis de las características térmicas de la batería de litio hierro fosfato

1) En condiciones de descarga de corriente constante a una tasa de 1 C a una temperatura ambiente de 20 ℃, la temperatura máxima del pack de baterías es de 32 ℃, la temperatura mínima es de 26 ℃, y la diferencia de temperatura es de 6 ℃. La temperatura más baja se produce en el borde del paquete de baterías. Estos lugares suelen estar bien ventilados, lo que permite una transferencia de calor convectiva más suficiente; La temperatura más alta se produce en la posición central dentro de la batería individual. Debido a la falta de conexión directa con el exterior, la conducción térmica sólo puede basarse en el polímero y el electrolito del interior de la batería, lo que puede provocar fácilmente una acumulación de temperatura. Por lo tanto, la temperatura en el núcleo es ligeramente superior a la de los bordes

2) Cuando se descarga a una tasa de corriente constante de 2 C bajo una temperatura ambiente de 20 ℃, la temperatura máxima de la batería es de 43 ℃, la temperatura mínima es de 31 ℃, y la diferencia de temperatura es de 12 ℃. La temperatura más baja se produce en el borde del paquete de baterías, mientras que la temperatura más alta se produce en el núcleo interno de la batería individual. Debido a que la diferencia de temperatura global dentro del paquete de baterías supera la diferencia de temperatura estándar diseñada (10 ℃). Si la tasa de descarga de 2 C se utiliza durante mucho tiempo para arrancar, subir, acelerar, etc., afectará a la vida útil de la batería.

2 Prueba térmica

El experimento de campo de temperatura de las baterías de litio hierro fosfato para vehículos eléctricos puede medir la diferencia de temperatura en puntos típicos del paquete de baterías. No sólo se puede comprender la distribución real de la temperatura y el aumento de temperatura de las baterías de litio hierro fosfato. Al mismo tiempo, también se puede verificar la precisión de los resultados de los cálculos de simulación basándose en datos experimentales. Proporcionan una base fiable para el diseño de la gestión térmica de los paquetes de baterías.

Para medir con precisión la temperatura real de la superficie del pack de baterías en la cámara de baterías a diferentes velocidades de descarga. El cabezal del sensor de temperatura debe estar firmemente adherido a la superficie lateral de la batería. Para minimizar al máximo los errores de lectura de la temperatura sin afectar al flujo de aire dentro de la cámara de la batería.

Coloque un sensor de temperatura en el punto central A del lateral de la batería. Coloque un sensor de temperatura en el borde B del lateral de la batería. Realice pruebas de descarga a velocidades de descarga de 1 C y 2 C respectivamente. Para garantizar la precisión del experimento, se realizaron 5 pruebas a diferentes velocidades de descarga y se tomó la temperatura media más alta al mismo tiempo para las 5 pruebas.

Al comparar y analizar los resultados experimentales y de simulación, se observa que el error entre los resultados de simulación y los experimentales está dentro del 8%, lo que indica que el modelo de simulación de baterías de litio establecido en este artículo es preciso y práctico, y puede utilizarse para mejorar la gestión térmica de los paquetes de baterías

3 Mejora de la gestión térmica

Los vehículos eléctricos requieren una descarga de corriente elevada de la batería durante la aceleración, la subida de pendientes y otras condiciones de trabajo. En este momento, la corriente dentro del pack de baterías aumenta exponencialmente, y el campo de temperatura dentro del pack de baterías también cambiará significativamente. Por lo tanto, es necesario mejorar la disipación de calor del paquete de baterías existente.

El sistema de gestión térmica que utiliza aire como medio tiene una estructura sencilla, un coste bajo y un proceso de fabricación más simple en comparación con el sistema de gestión térmica que utiliza líquido como medio. Además, los gases nocivos generados por diversos motivos pueden descargarse a tiempo, lo que redunda en una mayor seguridad. Por lo tanto, este artículo adopta la ventilación forzada para disipar el calor en el sistema. Para garantizar una buena disipación del calor, la velocidad en la entrada de aire del sistema de refrigeración se fija en 30 m/s. Mediante el cálculo de simulación ANSYS, se obtiene la distribución del campo de temperatura del pack de baterías mejorado.

Tras mejorar la gestión térmica del pack de baterías, se han reducido la diferencia de temperatura y la temperatura máxima durante la descarga a diferentes velocidades de descarga. Y todas están dentro de lo permitido. Cuando el pack de baterías se descarga a una velocidad de 1 C, la temperatura máxima de la batería disminuye 1 ℃ sin que cambie la diferencia de temperatura;

Cuando el pack de baterías se descarga a una tasa de 2 C, la temperatura máxima del pack de baterías disminuye en 8 ℃, y la diferencia de temperatura baja a 8,5 ℃;

Cuando el pack de baterías se descarga a una tasa de 3 C, la temperatura máxima del pack de baterías desciende al rango permitido, y la diferencia de temperatura también desciende al rango permitido.

Por comparación, puede verse que la temperatura máxima y la diferencia de temperatura del pack de baterías mejorado están dentro del rango permitido. El plan de mejora es viable y eficaz.

4 Conclusión

En este artículo se toma como objeto de investigación un determinado tipo de pack de baterías de litio hierro fosfato para vehículos eléctricos, se establece su modelo de simulación mediante el software ANSYS y se lleva a cabo el análisis de simulación. Los resultados mostraron que la temperatura de descarga más alta del paquete de baterías a una tasa de 2C fue de 43 ℃, con una diferencia de temperatura de 12 ℃, superando la diferencia de temperatura permitida de 10 ℃.

El uso a largo plazo puede afectar a la vida útil de la batería. Se ha mejorado el método de gestión térmica del pack de baterías, y se han reducido la temperatura máxima y la diferencia de temperatura del pack de baterías durante la descarga a 2 C y 3 C de aumento, cumpliendo los requisitos de disipación de calor del pack de baterías durante el arranque, la subida y la aceleración del vehículo eléctrico.