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Ensayo térmico de una batería cilíndrica de iones de litio

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Ensayo térmico de una batería cilíndrica de iones de litio

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1 Batería cilíndrica de iones de litio
Las baterías de iones de litio presentan diversas especificaciones y dimensiones externas, por lo que la medición de los parámetros de rendimiento térmico de las baterías de litio implica múltiples métodos y equipos de ensayo. En primer lugar, hemos optado por investigar las pruebas de rendimiento térmico de las baterías cilíndricas de ión-litio, especialmente la tecnología de pruebas de conductividad térmica radial para baterías cilíndricas de ión-litio, principalmente por las siguientes consideraciones:



(1) Las baterías cilíndricas de iones de litio son actualmente uno de los tipos más comunes de baterías y tienen una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, la tecnología de ensayo de la conductividad térmica radial de las baterías cilíndricas de ión-litio aún no está madura y se encuentra en una fase incipiente tanto a nivel nacional como internacional. Los diversos métodos de ensayo disponibles presentan errores significativos y no pueden satisfacer las necesidades de modelado y gestión térmica de las baterías.



(2) La estructura cilíndrica de las baterías de litio es muy especial, especialmente con una sola superficie circunferencial en dirección radial. Cuando se realizan pruebas de rendimiento térmico sin dañar la batería, sólo se puede utilizar una superficie circunferencial exterior para generar las condiciones límite de prueba correspondientes. Esta suele ser la prueba más difícil en la tecnología de pruebas de parámetros de rendimiento térmico. Si se pueden realizar pruebas de parámetros de rendimiento térmico en la dirección radial de baterías cilíndricas con una precisión de medición satisfactoria, la tecnología de pruebas se puede promover fácilmente y aplicar a baterías prismáticas y de bolsa.



(3) El calor de autocalentamiento en las baterías cilíndricas de ión-litio suele ser el más bajo, inferior al de las baterías prismáticas y de petaca. Del mismo modo, si el método de ensayo estudiado puede lograr una precisión de medición satisfactoria en las baterías de litio cilíndricas de bajo calor, puede lograr una mayor precisión de medición en las mediciones de alto calor de las baterías prismáticas y de petaca.



(4) Además, mediante la investigación de la tecnología de ensayo de conductividad térmica radial para baterías cilíndricas de iones de litio, se pueden realizar esfuerzos para lograr la multifuncionalidad, modularidad, rapidez y bajo coste de los instrumentos de ensayo del rendimiento térmico de las baterías de iones de litio.



Este artículo se centrará específicamente en la conductividad térmica radial de las baterías cilíndricas de iones de litio y realizará investigaciones sobre los métodos de prueba. Establecerá los correspondientes modelos de ensayo a temperatura constante bajo las condiciones límite de las baterías no destructivas y sólo la superficie exterior de la circunferencia de la batería, y verificará la precisión del modelo de ensayo y las expresiones explicativas mediante simulación por elementos finitos. Se espera que proporcione una orientación eficaz para el diseño de instrumentos de prueba.



2 Modelo analítico para las pruebas térmicas
De acuerdo con la estructura interna y la dirección de transferencia de calor de las baterías de litio cilíndricas, el modo de transferencia de calor radial de las baterías de litio cilíndricas es un modo de dispersión circunferencial radial típico. Por lo tanto, se utilizan coordenadas cilíndricas para describir el modelo de prueba de las baterías cilíndricas, mientras que otras formas de modelos de prueba no pueden describir con precisión el modo de transferencia de calor de las baterías cilíndricas. Para una batería cilíndrica de litio con un radio de R y una altura de H, las condiciones de contorno para la prueba de conductividad térmica radial sólo pueden darse en la superficie exterior de la circunferencia en r=R.



Si suponemos que las caras de los extremos superior e inferior de una batería cilíndrica son superficies adiabáticas, las condiciones límite en la superficie exterior de la batería no difieren de los tres tipos de condiciones límite en la transferencia de calor, a saber, temperatura constante, calentamiento lineal y temperatura alterna. Debido al tamaño relativamente grande de la batería sometida a ensayo y a la dificultad de aplicar y analizar la condición límite del tercer tipo de temperatura alterna, que es muy compleja, sólo realizamos la investigación del método de ensayo correspondiente para las condiciones límite del primer y segundo tipo de temperatura constante y calentamiento lineal.



El calor sólo fluye radialmente y la distribución de la temperatura es unidimensional en el espacio. El flujo de calor también es unidimensional, y se supone que el coeficiente de transferencia de calor radial es uniforme e independiente de la temperatura dentro de un pequeño intervalo de temperaturas.



2.1. Prueba de temperatura constante
El primer tipo de condición límite es una temperatura superficial constante, lo que significa que durante el proceso de ensayo, una batería con una temperatura inicial de T0 se coloca de repente en un entorno con una temperatura de Ts, y esta temperatura del entorno debe ser superior a la temperatura inicial T0 y permanecer constante. Como resultado, el calor se transfiere radialmente a través de la batería, y los dos extremos de la batería se encuentran en un estado adiabático.



2.2 Ensayo de aumento lineal de la temperatura
El segundo tipo de condición límite es un aumento lineal de la temperatura de la superficie, lo que significa que, durante el proceso de ensayo, se aplica una cantidad constante de calor a la superficie exterior de la pila para calentarla, y se supone que el calor constante no se perderá con el tiempo durante todo el proceso de calentamiento. Además, debido a la estructura axisimétrica de las baterías cilíndricas, el calentamiento de los lados alrededor de la batería dará lugar a un estado adiabático a lo largo del eje de la batería.



3 Conclusiones
Se ha llevado a cabo una investigación especial sobre la tecnología de ensayo de conductividad térmica radial para baterías cilíndricas de iones de litio, y se ha establecido un método de ensayo sencillo y fácil de manejar. El método de ensayo se ha validado mediante simulación por elementos finitos, y de todo el trabajo de investigación se han extraído las siguientes conclusiones:



(1) Se ha establecido un modelo de ensayo a temperatura constante y el correspondiente método de ensayo para la conductividad térmica radial de las baterías cilíndricas de iones de litio. La simulación por elementos finitos ha demostrado que este método de ensayo tiene una gran precisión de medición y puede aplicarse plenamente en ensayos prácticos, lo cual es de gran importancia para las pruebas de rendimiento térmico de las baterías de iones de litio.



(2) El método de ensayo establecido puede obtener valores de conductividad térmica radial, difusividad térmica radial y capacidad calorífica específica mediante un único ensayo de calentamiento. También es posible medir los parámetros de rendimiento térmico en un amplio intervalo de temperaturas en función de la temperatura, e incluso medir el rendimiento térmico a lo largo de todo el proceso de transición de fase.



(3) El método de ensayo isotérmico establecido ha adquirido básicamente la función del calorímetro adiabático acelerado de uso común, que puede sustituir y complementar al calorímetro adiabático acelerado para detectar el desbocamiento térmico de las baterías.



(4) El método de ensayo establecido es simple y fácil de implementar, con operaciones experimentales convenientes, por lo que es muy adecuado para cargar otras variables en la evaluación del rendimiento de la batería, como la prueba de rendimiento térmico durante los procesos de carga y descarga de la batería.



(5) El avance en el método de ensayo de conductividad térmica radial para baterías de litio cilíndricas puede extenderse al ensayo de rendimiento térmico de otras especificaciones de baterías de iones de litio utilizando métodos de ensayo de temperatura constante y corriente constante. Pueden utilizarse diversas condiciones y direcciones de carga para probar el rendimiento térmico de las baterías de litio.



(6) El principio del método de ensayo a temperatura constante estudiado es sencillo, y las condiciones de contorno son fáciles de aplicar, lo que resulta muy propicio para la instrumentación y modularización, así como para la integración con otros instrumentos de ensayo.