Veiktspējas un drošības līdzsvarošana: visaptveroša 48 V litija jonu akumulatora lādēšanas izlādes termisko raksturlielumu analīze

Šajā rakstā tiek izmantoti 25 termopāri, lai eksperimentāli izpētītu 48 V litija jonu (Li jonu) akumulatora bloka temperatūras sadalījumu un uzvedību divu uzlādes izlādes ciklos. Rezultāti liecina, ka labāka konvektīvā siltuma pārnese notiek uz iepakojuma ārējās virsmas, kamēr vidējā baterija sasniedz maksimālo temperatūru. Atšķirības tika novērotas arī trīs moduļu uzvedībā. Izlādes cikls parāda temperatūras paaugstināšanos par 5,8 °C, un akumulatora temperatūras gradients palielinās no 1,3 °C līdz 2,7 °C. Šis pētījums uzsver, cik svarīgi ir novērtēt katra moduļa termiskās īpašības un litija jonu sarežģītību. akumulatoru bloku sistēmas. Tajā pašā pētījumā atklājumi par baterijām, moduļiem un akumulatoru komplektiem var sniegt vērtīgu ieskatu efektīvu dzesēšanas sistēmu projektēšanā litija jonu akumulatoriem.

1. Ievads

Litija jonu akumulatori:Uzlādējami litija jonu akumulatori tiek uzskatīti par piemērotām enerģijas uzkrāšanas ierīcēm vieglajiem hibrīda transportlīdzekļiem, ņemot vērā to lielo enerģijas blīvumu, īpatnējo jaudu, vieglo svaru, zemu pašizlādes ātrumu, augstu pārstrādājamību un ilgu kalpošanas laiku. Pēdējo 13 gadu laikā litija jonu akumulatoru komplektu cena ir ievērojami samazinājusies. Tomēr augsta temperatūra un nevienmērīgs temperatūras sadalījums ir galvenās litija jonu akumulatoru problēmas, un temperatūrai ir liela nozīme to dzīves ciklā un enerģijas kapacitātē.

Iepriekšējo pētījumu trūkumi:Iepriekšējie pētījumi par litija jonu akumulatoru termisko uzvedību vieglos hibrīda transportlīdzekļos galvenokārt koncentrējās uz atsevišķiem akumulatoriem vai akumulatoru komplektiem, un tiem trūka detalizētas analīzes par ārējo parametru (piemēram, citu akumulatoru klātbūtnes) ietekmi uz akumulatora termisko uzvedību. Turklāt pētījumu apjoms par 48 V litija jonu akumulatoru komplektu termisko uzvedību ir ierobežots, un trūkst eksperimentālu pētījumu par visa akumulatora detalizētu temperatūras sadalījumu.

Šī pētījuma mērķis:ir eksperimentāli izpētīt 48 V litija jonu akumulatora termiskās īpašības, izmantojot divus pilnus uzlādes izlādes ciklus. Izmantojot 25 termopārus, lai veiktu mērījumus dažādās akumulatora bloka vietās, mēs ceram sniegt vērtīgu ieskatu akumulatora bloka siltuma veidošanā un palīdzēt izvēlēties atbilstošu akumulatora dzesēšanas sistēmu.

2. Eksperimentālā noteikšana

Litija jonu akumulatora parametri:Litija jonu baterijas parasti sastāv no anoda, katoda, elektrolīta un strāvas kolektora. Automobiļu rūpniecībā tiek izmantotas cilindriskas, prizmatiskas un maisiņa formas baterijas, un prizmatiskas konstrukcijas var uzlabot telpas izmantošanu un elastību. Šajā pētījumā tika izmantots prizmatisks NCM litija jonu akumulators ar nominālo jaudu 8,23 Ah. Akumulatoru komplekts sastāv no 36 akumulatoriem, kas savienoti 12s3p konfigurācijā, kam ir vienkārša uzstādīšana, modularitāte, drošība un kompaktums, minimāla ietekme uz transportlīdzekļa svaru un augsta izmaksu efektivitāte.

Eksperimentālais izkārtojums:Eksperimentālā testēšanas iekārta ietver akumulatoru bloku, augstsprieguma augstsprieguma AVL akumulatoru simulatoru, ko vada AVL PUMA sistēma, K veida temperatūras sensoru ar diviem datu ieguves moduļiem (ES620 ETAS), kā arī datoru bloku datu uzraudzībai un uzglabāšanai. Izmantojiet 25 termopārus, lai uzraudzītu akumulatora temperatūru, un mērījumu punkti atrodas trīs akumulatora bloka moduļos. Termopāri palīdz noteikt temperatūras izmaiņas starp viena un tā paša akumulatora pozitīvajiem un negatīvajiem spailēm.

Uzlādes un izlādes cikli:Tika veikti divi pilni uzlādes un izlādes ciklu testi ar sākotnējo temperatūru un uzlādes stāvokļiem (SoC) attiecīgi 26 °C un 47%. Maksimālā un minimālā strāva bija attiecīgi 237A un -237A. SoC sasniedza divreiz augstāko un zemāko vērtību, ti, 91% un 10%, un tests beidzās, kad SoC sasniedza sākotnējo vērtību. Lai izvairītos no akumulatora termiskās atteices augstās temperatūrās, tests tika pārtraukts, kad temperatūra sasniedza 40 grādus C. Šajā pētījumā temperatūras robeža tika sasniegta otrā cikla beigās.

Teorētiskais pamatojums:Bateriju temperatūras ietekme ir saistīta ar iekšējiem materiāliem un ķīmiskām reakcijām. Litija jonu akumulatoru termiskā ģenerēšana normālā temperatūrā ir saistīta ar lādiņa pārnesi un ķīmiskām reakcijām uzlādes un izlādes procesu laikā. Termiskā ģenerēšana ietver atgriezeniskus procesus (entropijas siltumu) un neatgriezeniskus procesus. Saskaņā ar termodinamikas likumiem akumulatora iekšienē radītā siltuma pārejoša uzvedība var izraisīt dažādas temperatūras izmaiņas. Lai izpētītu litija jonu akumulatoru un akumulatoru komplektu termisko uzvedību, tika definēta nosaukšanas konvencija un saistītie temperatūras parametri, piemēram, maksimālā temperatūra, minimālā temperatūra, temperatūras starpība un vidējā temperatūra.

3. Rezultāti

SOC un spriegums

Zemāk redzamajā attēlā parādīts akumulatora bloka spriegums, strāva un SoC. Testēšanas laiks ir sadalīts 8 daļās no diviem cikliem, kur LD, EC, LC un ED apzīmē attiecīgi vēlu izlādi, agrīnu uzlādi, vēlu uzlādi un agrīnu izlādi. Pirmajā daļā LD1 strāva ir -237A, un akumulatora bloks un akumulatora spriegums samazinās; EC1 sadaļā strāva ir 237A, SoC sasniedz 33%, un akumulatora bloka spriegums palielinās; LC1 sadaļā strāva samazinās līdz 33A un palielinās akumulatora bloka spriegums; Sadaļā ED1 strāva ir -237A, un SoC un spriegums samazinās. Otrajā ciklā akumulatora bloka strāva, SoC un spriegums uzrādīja līdzīgu laika attīstību kā pirmajā ciklā, un tests beidzās 2105 s.

Litija jonu akumulatoru komplektiem praktiskos lietojumos parasti ir nepieciešami ilgstoši augstas pastāvīgas strāvas periodi, tāpēc BMS samazinās jaudu, lai nodrošinātu drošību. Augšējā attēlā parādīts pēkšņs strāvas ierobežojuma samazinājums vēlīnā uzlādes fāzē akumulatora siltuma pārvaldības dēļ.

Siltuma veiktspēja

Attēlā a parādīta 1. moduļa 8 termopāru temperatūras laika vēsture. T1 un +12 vērtības testa sākumā bija moduļa temperatūras diapazona vidū, bet testa beigās nokritās līdz zemākajai. pārbaudi. T1 un -01 bija vienādi ar Tmin pirmā cikla sākumā, un akumulatora temperatūra moduļa vidū bija visaugstākā.

Attēlā b parādīts 2. moduļa temperatūras sadalījums, kur T2, -12 ir Tmin, T2, +01 ir otrā zemākā temperatūra un T2,+04 ir Tmax.

c attēlā parādīts 3. moduļa temperatūras sadalījums, kur T3, -01 ir Tmin, T3, +12 ir otrā zemākā temperatūra, T3,+04, T3, -06, un T3, -07 ir Tmaks.

Zemāk redzamajā attēlā parādīta akumulatora bloka un katra moduļa vidējās temperatūras, maksimālās temperatūras, minimālās temperatūras un temperatūras starpības laika vēsture. EC1 un EC2 akumulatora bloka trīspuse ir attiecīgi 1,6 grādi C un 1,2 grādi C. Pilna izlādes cikla laikā (ED1 un LD2 kombinācija) Trise ir aptuveni 5,8 grādi C. Maksimālais ∆ T ir 2.{11}} grādi C un 3,2 grādi C attiecīgi EC1 un EC2 beigās, kamēr minimālā ∆ T ir 1,3 grādi C un 2,2 grādi C pirmā un otrā pilna uzlādes cikla beigās, attiecīgi T var iedalīt atšķirība starp Tmax un Tavg, kā arī atšķirība starp Tavg un Tmin. Atšķirība starp Tavg un Tmin mainās lineāri, ja strāva būtiski mainās, savukārt atšķirība starp Tmax un Tavg ir jutīga pret strāvu un nelineāra.

4. Diskusija

Akumulatora izpēte:Tajā pašā litija jonu akumulatorā pozitīvās spailes temperatūra ir augstāka nekā negatīvā, un maksimālā temperatūras starpība ir aptuveni 0,6 grādi C. Šī parādība ir minēta arī literatūrā. Turklāt abu ciklu beigās Tmin parādās T1, +12 un T1, -01 modulī 1, T2, -12 un T2,+01 modulī 2, un T3, -01 un T3,+12 3. modulī. Tas norāda, ka Tmin parādās uz akumulatora ārējā akumulatora labākas konvekcijas siltuma pārneses un dzesēšanas efekts uz moduļa robežas virsmu, salīdzinot ar apkārtējās vides temperatūru. Un katra moduļa Tmax parādās vidējā akumulatorā, taču tas nav simetrisks, norādot uz katra akumulatora dinamisko uzvedību un temperatūras nevienmērību. Šī parādība ilustrē šīs dinamiskās sistēmas sarežģītību un uzsver, cik svarīgi ir novērtēt visu akumulatora komplektā esošo moduļu temperatūru.

Moduļa izpēte:1. moduļa Tavg ir augstāks nekā akumulatora blokam LD, EC, ED un LC pirmajā pusē, kas norāda, ka 1. modulis ir jutīgāks pret lielām strāvām nekā citi moduļi, rada vairāk siltuma, ātrāk paaugstinās temperatūra, un apmaina siltumu labāk nekā citi moduļi. Tas norāda uz akumulatora sistēmas sarežģītību, un katra moduļa termiskā darbība ir jāizpēta un jāpārbauda atsevišķi.

Akumulatoru komplekta izpēte:Litija jonu akumulatoros, moduļos un akumulatoru komplektos temperatūra vienmēr paaugstinās ED, LD un EC. Tāpēc Tmax parādās ne tikai LC1 un LC2 vidū, bet arī EC1 un EC2 beigās. Citiem vārdiem sakot, ja ir liela strāva, temperatūra paaugstināsies, jo vairāk litija jonu vajadzētu pārvietoties caur membrānu un radīt vairāk siltuma. Tāpēc LC sākumā būs temperatūras kritums, kam sekos temperatūras gandrīz līdzsvara stāvokļa novērošana.

Pilna izlādes cikla laikā starp diviem uzlādes cikliem temperatūra monotoni paaugstinās; Kopumā Trise palielinājās par 5,8 °C no sākotnējās vērtības 31,8 °C. Turklāt arī ∆ T uzrādīja tādu pašu augšupejošu tendenci no 1,3 °C līdz 2,7 °C. Tas ir saistīts ar lielo strāvu, pamatojoties uz (2) vienādojumu. šajā periodā, kā arī 1. moduļa jutība pret strāvu. Turklāt Trise modeļi abos uzlādes ciklos uzrādīja līdzīgas tendences. Sākumā tā paaugstinās, pēc tam pazeminās un visbeidzot uztur gandrīz vienmērīgu temperatūru. Tāpēc, ja akumulatora blokam tiek pievadīta lielāka strāva, tiks sasniegts lielāks Trise un ∆ T.

∆ T var iedalīt starpībā starp Tmax un Tavg, kā arī starpību starp Tavg un Tmin. Tmax ir ļoti jutīgs pret temperatūras gradientiem un mainās laika gaitā, savukārt Tmin ir mazāk jutīgs pret strāvas izmaiņām. Tāpēc vissvarīgākā temperatūras izmaiņu daļa akumulatora blokā ir saistīta ar Tmax darbību. Citiem vārdiem sakot, atšķirība starp Tavg un Tmin mainās lineāri, ja ir ievērojama strāvas atšķirība un mainās slīpums. Atšķirība starp Tmax un Tavg ir ļoti jutīga pret strāvu, un laika gaitā slīpums palielināsies. Tāpēc otrajā scenārijā, izņemot ievērojamas atšķirības lielās strāvas starpībās, ∆ T neuzrāda lineāru izturēšanos gan pastāvīgās, gan dinamiskās strāvās. Turpmākajā darbā jākoncentrējas uz efektīvu dzesēšanas sistēmu izstrādi un dažādu siltuma pārvaldības stratēģiju izpēti, lai uzlabotu litija jonu akumulatoru komplektu veiktspēju un drošību, pamatojoties uz šī pētījuma rezultātiem.

5. Kopsavilkums

Šajā rakstā ir pētīta 48 V litija jonu akumulatoru komplektu termiskā darbība dinamiskā strāvā, kas ir ļoti svarīga, lai izprastu litija jonu akumulatoru komplektu drošu un uzticamu darbību, īpaši lietojumprogrammās, kurām nepieciešama liela jauda un enerģijas blīvums.

Eksperimentālie rezultāti liecina, ka akumulatora bloka temperatūras izturēšanās ir sarežģīta un nelineāra ar atšķirībām starp dažādiem akumulatoriem, moduļiem un visu akumulatoru komplektu. Temperatūra ārpus akumulatora ir zemāka nekā iekšējā akumulatora labākas konvektīvās siltuma pārneses dēļ, un viena akumulatora pozitīvā spailes temperatūra ir augstāka par negatīvo spailes temperatūru. Modulis ir jutīgāks pret lielām strāvām, kā rezultātā ātrāk paaugstinās temperatūra un rodas siltums, ko var iegūt, tikai pētot visus moduļus vienā litija jonu akumulatorā.

Akumulatora komplekta temperatūru galvenokārt ietekmē Tmax, kas ir jutīgāks pret strāvu. Trise galvenokārt ir saistīta ar lielu strāvu un siltumu, ko rada litija jonu kustība caur separatoru. Atšķirība starp Tmin un Tavg mainās lineāri pie nemainīgas strāvas, savukārt starpība starp Tmax un Tavg mainās nelineāri strāvas izmaiņu gadījumā, īpaši pie lielām strāvas atšķirībām.

Kopumā pētījuma rezultāti norāda uz to, cik svarīgi ir atsevišķi pārbaudīt un novērtēt katra akumulatora, moduļa un visa akumulatora komplekta termisko uzvedību, lai izprastu litija jonu akumulatoru komplektu sarežģītību un nelineāro uzvedību dinamiskās strāvās. Šī pētījuma rezultāti veicinās efektīvāku un uzticamāku akumulatoru siltuma pārvaldības sistēmu izstrādi litija jonu akumulatoru komplektiem automobiļu lietojumos nākotnē. Nosakot akumulatora siltuma pārvaldības stratēģijas un parametrus, jāņem vērā atšķirības starp moduli Tavg, Tavg atkarību no Tmax un akumulatora atrašanās vietas ietekmi uz tā temperatūras izmaiņām.