L-Ibbilanċjar tal-Prestazzjoni U s-Sigurtà: Analiżi Komprensiva tal-Karatteristiċi Termali tal-Kwittanza tal-Ħarġ tal-Pakkett tal-batterija tal-jone tal-litju 48V

Dan l-artikolu juża 25 termokoppja biex jistudja b'mod sperimentali d-distribuzzjoni tat-temperatura u l-imġieba ta 'pakkett ta' batterija tal-jone tal-litju (Li ion) ta '48V matul żewġ ċikli ta' skariku ta 'ċarġ. Ir-riżultati jindikaw li trasferiment aħjar tas-sħana konvettiva jseħħ fuq il-wiċċ ta 'barra tal-ippakkjar, filwaqt li l-batterija tan-nofs tilħaq it-temperatura massima tagħha. Ġew osservati wkoll differenzi fl-imġiba tat-tliet moduli. Iċ-ċiklu ta 'skarika juri żieda fit-temperatura ta' 5.8 grad C, u l-gradjent tat-temperatura tal-pakkett tal-batterija jiżdied minn 1.3 grad C għal 2.7 grad C. Dan l-istudju jenfasizza l-importanza li tiġi evalwata l-imġieba termali ta 'kull modulu u l-kumplessità tal-jone tal-litju sistemi ta' pakketti ta' batteriji. Fl-istess studju, skoperti dwar batteriji, moduli, u pakketti ta 'batteriji jistgħu jipprovdu għarfien siewi għat-tfassil ta' sistemi effiċjenti ta 'tkessiħ għal pakketti ta' batteriji tal-jone tal-litju.

1. Introduzzjoni

Batteriji tal-jone tal-litju:Il-batteriji tal-jone tal-litju rikarikabbli huma kkunsidrati bħala apparat ta 'ħażna ta' enerġija adattat għal vetturi ibridi ħfief minħabba d-densità għolja ta 'enerġija tagħhom, qawwa speċifika, ħfief, rata baxxa ta' skarika awto, riċiklabbiltà għolja u ħajja twila. Fl-aħħar 13-il sena, il-prezz tal-pakketti tal-batteriji tal-jone tal-litju naqas b'mod sinifikanti. Madankollu, temperatura għolja u distribuzzjoni irregolari tat-temperatura huma l-problemi ewlenin tal-batteriji tal-jone tal-litju, u t-temperatura għandha rwol importanti fiċ-ċiklu tal-ħajja u l-kapaċità tal-enerġija tagħhom.

Nuqqasijiet ta’ riċerka preċedenti:Studji preċedenti dwar l-imġieba termali tal-batteriji tal-jone tal-litju f'vetturi ibridi ħfief iffokaw prinċipalment fuq batteriji individwali jew pakketti ta 'batteriji, nieqsa minn analiżi dettaljata tal-impatt ta' parametri esterni (bħall-preżenza ta 'batteriji oħra) fuq l-imġieba termali tal-batterija. Barra minn hekk, l-ambitu tar-riċerka dwar l-imġieba termali ta 'pakketti ta' batteriji tal-jone tal-litju ta '48V huwa limitat, u hemm nuqqas ta' studji sperimentali dwar id-distribuzzjoni dettaljata tat-temperatura tal-pakkett kollu tal-batterija.

L-iskop ta' dan l-istudju:huwa li tinvestiga b'mod sperimentali l-imġieba termali ta 'pakkett ta' batterija tal-jone tal-litju ta '48V permezz ta' żewġ ċikli kompluti ta 'skariku ta' ċarġ. Bl-użu ta '25 termokoppja biex ikejlu f'postijiet differenti fi ħdan il-pakkett tal-batterija, nittamaw li nipprovdu għarfien siewi dwar il-ġenerazzjoni tas-sħana tal-pakkett tal-batterija u ngħinu biex tagħżel is-sistema xierqa tat-tkessiħ tal-batterija.

2. Determinazzjoni Sperimentali

Parametri tal-batterija tal-jone tal-litju:Il-batteriji tal-jone tal-litju huma tipikament magħmulin minn anodu, katodu, elettrolit u kollettur tal-kurrent. Batteriji ċilindriċi, priżmatiċi u f'forma ta 'borża jintużaw fl-industrija tal-karozzi, u disinji priżmatiċi jistgħu jtejbu l-utilizzazzjoni tal-ispazju u l-flessibilità. Dan l-istudju uża batterija tal-jone tal-litju prismatika NCM b'kapaċità nominali ta '8.23Ah. Il-pakkett tal-batterija jikkonsisti f'36 batterija konnessi f'konfigurazzjoni 12s3p, li għandha l-vantaġġi ta 'installazzjoni faċli, modularità, sikurezza u kumpattezza, impatt minimu fuq il-piż tal-vettura, u kosteffettività għolja.

Tqassim sperimentali:L-apparat ta 'ttestjar sperimentali jinkludi pakkett ta' batterija, simulatur ta 'batterija AVL ta' kurrent għoli ta 'vultaġġ għoli kkontrollat ​​mis-sistema AVL PUMA, sensor tat-temperatura tat-tip K b'żewġ moduli ta' akkwist tad-dejta (ES620 ETAS), u unità tal-kompjuter għall-monitoraġġ u l-ħażna tad-dejta. Uża 25 termokoppja biex tissorvelja t-temperatura tal-batterija, b'punti ta 'kejl li jinsabu fit-tliet moduli tal-pakkett tal-batterija. Thermocouples jgħinu biex jiskopru bidliet fit-temperatura bejn it-terminali pożittivi u negattivi tal-istess batterija.

Ċikli ta 'ċarġ u skariku:Twettqu żewġ testijiet kompluti taċ-ċiklu ta 'ċarġ u skariku b'temperaturi inizjali u stati ta' ċarġ (SoC) ta '26 grad C u 47%, rispettivament. Il-kurrenti massimi u minimi kienu 237A u -237A, rispettivament. Is-SoC laħaq id-doppju tal-ogħla u l-inqas valuri, jiġifieri 91% u 10%, u t-test intemm meta s-SoC laħaq il-valur inizjali. Biex tiġi evitata ħsara termali tal-pakkett tal-batterija f'temperaturi għoljin, it-test ġie mitmum meta t-temperatura laħqet 40 grad C. F'dan l-istudju, il-limitu tat-temperatura intlaħaq fl-aħħar tat-tieni ċiklu.

Sfond teoretiku:L-effett tat-temperatura tal-batteriji huwa relatat ma 'materjali interni u reazzjonijiet kimiċi. Il-ġenerazzjoni termali ta 'batteriji tal-jone tal-litju f'temperaturi normali hija relatata ma' trasferiment ta 'ċarġ u reazzjonijiet kimiċi waqt proċessi ta' ċċarġjar u ħatt. Il-ġenerazzjoni termali tinkludi proċessi riversibbli (sħana entropika) u proċessi irriversibbli. Skont il-liġijiet tat-termodinamika, l-imġieba temporanja tas-sħana ġġenerata ġewwa batterija tista 'twassal għal bidliet fit-temperatura differenti. Biex tistudja l-imġieba termali tal-batteriji tal-jone tal-litju u l-pakketti tal-batteriji, ġew definiti konvenzjoni tal-ismijiet u parametri relatati għat-temperatura, bħal temperatura massima, temperatura minima, differenza fit-temperatura u temperatura medja.

3. Riżultati

SOC u Vultaġġ

Il-figura hawn taħt turi l-vultaġġ, il-kurrent, u s-SoC tal-pakkett tal-batterija. Il-ħin tal-ittestjar huwa maqsum fi 8 partijiet ta 'żewġ ċikli, b'LD, EC, LC, u ED li jirrappreżentaw skarigu tard, ħlas kmieni, ħlas tard, u skariku kmieni, rispettivament. Fl-ewwel parti LD1, il-kurrent huwa -237A, u l-pakkett tal-batterija u l-vultaġġ tal-batterija jonqsu; Fit-taqsima EC1, il-kurrent huwa 237A, is-SoC jilħaq 33%, u l-vultaġġ tal-pakkett tal-batterija jiżdied; Fit-taqsima LC1, il-kurrent jinżel għal 33A u l-vultaġġ tal-pakkett tal-batterija jiżdied; Fit-taqsima ED1, il-kurrent huwa -237A, u s-SoC u l-vultaġġ jonqsu. Fit-tieni ċiklu, il-kurrent, is-SoC, u l-vultaġġ tal-pakkett tal-batterija wrew evoluzzjoni tal-ħin simili bħall-ewwel ċiklu, u t-test intemm f'2105s.

Il-pakketti tal-batteriji tal-jone tal-litju tipikament jeħtieġu perjodi twal ta 'kurrent kostanti għoli f'applikazzjonijiet prattiċi, għalhekk il-BMS inaqqas l-output biex jiżgura s-sigurtà. Il-figura ta 'hawn fuq turi tnaqqis f'daqqa fil-limitu tal-kurrent matul il-fażi tal-iċċarġjar tard minħabba l-ġestjoni termali tal-batterija.

Prestazzjoni termali

Figura a turi l-istorja tal-ħin tat-temperatura ta '8 thermocouples fil-Modulu 1. Il-valuri ta' T1 u +12 kienu fin-nofs tal-firxa tat-temperatura tal-modulu fil-bidu tat-test, iżda niżlu għall-aktar baxx fl-aħħar tal- test. T1 u -01 kienu ugwali għal Tmin fil-bidu tal-ewwel ċiklu, u t-temperatura tal-batterija fin-nofs tal-modulu kienet l-ogħla.

Figura b turi d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-modulu 2, fejn T2, -12 hija Tmin, T2,+01 hija t-tieni l-inqas temperatura, u T2,+04 hija Tmax.

Figura c turi d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-modulu 3, fejn T3, -01 hija Tmin, T3,+12 hija t-tieni l-inqas temperatura, T3,+04, T3, -06, u T3, -07 huwa Tmax.

Figura hawn taħt turi l-istorja tal-ħin tat-temperatura medja, temperatura massima, temperatura minima, u differenza fit-temperatura tal-pakkett tal-batterija u kull modulu. It-Trise tal-pakkett tal-batterija f'EC1 u EC2 huwa 1.6 grad C u 1.2 grad C, rispettivament. Matul iċ-ċiklu sħiħ ta' skariku (kombinazzjoni ta' ED1 u LD2), it-Tris huwa bejn wieħed u ieħor 5.8 grad C. Il-∆ T massimu huwa 2.0 grad Ċ u 3.2 grad C fl-aħħar ta' EC1 u EC2, rispettivament, filwaqt li il-minimu ∆ T huwa 1.3 grad C u 2.2 grad C fl-aħħar tal-ewwel u t-tieni ċikli sħaħ tal-iċċarġjar, rispettivament T jista 'jinqasam fid-differenza bejn Tmax u Tavg, kif ukoll id-differenza bejn Tavg u Tmin. Id-differenza bejn Tavg u Tmin tvarja b'mod lineari meta l-kurrent jinbidel b'mod sinifikanti, filwaqt li d-differenza bejn Tmax u Tavg hija sensittiva għall-kurrent u mhux lineari.

4. Diskussjoni

Riċerka tal-batterija:Fl-istess batterija tal-jone tal-litju, it-temperatura tat-terminal pożittiv hija ogħla minn dik tat-terminal negattiv, b'differenza massima fit-temperatura ta 'madwar 0.6 grad C. Dan il-fenomenu ssemma wkoll fil-letteratura. Barra minn hekk, fl-aħħar taż-żewġ ċikli, Tmin jidher f'T1,+12 u T1, -01 fil-modulu 1, T2, -12 u T2,+01 fil-modulu 2, u T3, -01 u T3,+12 fil-modulu 3. Dan jindika li Tmin jidher fuq il-batterija esterna tal-pakkett tal-batterija, minħabba trasferiment aħjar tas-sħana konvettiva u effett ta 'tkessiħ fuq il-wiċċ tal-konfini tal-modulu meta mqabbel mat-temperatura ambjentali. U t-Tmax ta 'kull modulu jidher fil-batterija tan-nofs, iżda dan mhuwiex simetriku, li jindika l-imġieba dinamika u n-nuqqas ta' uniformità tat-temperatura ta 'kull batterija. Dan il-fenomenu juri l-kumplessità ta 'din is-sistema dinamika u jenfasizza l-importanza li tiġi evalwata l-imġiba tat-temperatura tal-moduli kollha fil-pakkett tal-batterija.

Riċerka tal-modulu:It-Tavg tal-Modulu 1 huwa ogħla minn dak tal-pakkett tal-batterija fl-ewwel nofs ta 'LDs, ECs, EDs, u LCs, li jindika li Modulu 1 huwa aktar sensittiv għal kurrenti għoljin minn moduli oħra, jiġġenera aktar sħana, jogħla aktar malajr fit-temperatura, u tiskambja s-sħana aħjar minn moduli oħra. Dan jindika l-kumplessità tas-sistema tal-pakkett tal-batterija, u l-imġieba termali ta 'kull modulu għandha tiġi studjata u spezzjonata separatament.

Riċerka tal-pakkett tal-batterija:Fil-batteriji tal-jone tal-litju, moduli, u pakketti ta 'batteriji, it-temperatura dejjem tiżdied f'EDs, LDs, u ECs. Għalhekk, Tmax jidher mhux biss fin-nofs ta 'LC1 u LC2, iżda wkoll fl-aħħar ta' EC1 u EC2. Fi kliem ieħor, meta jkun hemm kurrent għoli, it-temperatura se togħla minħabba li aktar joni tal-litju għandhom jiċċaqilqu mill-membrana u jiġġeneraw aktar sħana. Għalhekk, fil-bidu tal-LCs, se jkun hemm tnaqqis fit-temperatura, segwita mill-osservazzjoni ta 'mġieba ta' stat kważi stabbli tat-temperatura.

Matul iċ-ċiklu sħiħ ta 'skariku bejn żewġ ċikli ta' ċċarġjar, it-temperatura tiżdied b'mod monotoniku; B'mod ġenerali, Trise żdied b'5.8 grad C mill-valur inizjali tiegħu ta '31.8 grad C. Barra minn hekk, ∆ T wera wkoll l-istess xejra 'l fuq minn 1.3 grad C sa 2.7 grad C. Dan huwa dovut għall-kurrent għoli bbażat fuq l-ekwazzjoni (2) matul dan il-perjodu, kif ukoll is-sensittività tal-modulu 1 għall-kurrent. Barra minn hekk, il-mudelli Trise fiż-żewġ ċikli tal-iċċarġjar wrew xejriet simili. Fil-bidu, titla ', imbagħad tinżel, u finalment iżżomm temperatura ta' stat kważi stabbli. Għalhekk, meta kurrent ogħla jiġi applikat għall-pakkett tal-batterija, se jinkisbu Trise ogħla u ∆ T.

∆ T jista 'jinqasam fid-differenza bejn Tmax u Tavg, kif ukoll id-differenza bejn Tavg u Tmin. Tmax huwa sensittiv ħafna għall-gradjenti tat-temperatura u jvarja maż-żmien, filwaqt li Tmin huwa inqas sensittiv għal bidliet fil-kurrent. Għalhekk, l-aktar parti importanti tal-bidla fit-temperatura fil-pakkett tal-batterija hija dovuta għall-imġieba ta 'Tmax. Fi kliem ieħor, id-differenza bejn Tavg u Tmin tvarja b'mod lineari meta jkun hemm differenza sinifikanti fil-kurrent, u l-inklinazzjoni tinbidel. Id-differenza bejn Tmax u Tavg hija sensittiva ħafna għall-kurrent, u l-inklinazzjoni tiżdied maż-żmien. Għalhekk, fit-tieni xenarju, ħlief għal varjazzjonijiet sinifikanti fid-differenzi kbar tal-kurrent, ∆ T ma juri l-ebda imġieba lineari kemm f'kurrenti kostanti kif ukoll dinamiċi. Ix-xogħol futur għandu jiffoka fuq l-iżvilupp ta 'sistemi ta' tkessiħ effiċjenti u l-esplorazzjoni ta 'strateġiji ta' ġestjoni termali differenti biex itejbu l-prestazzjoni u s-sikurezza tal-pakketti tal-batteriji tal-jone tal-litju bbażati fuq ir-riżultati miksuba minn dan l-istudju.

5. Sommarju

Dan l-artikolu jistudja l-imġieba termali ta 'pakketti ta' batteriji tal-jone tal-litju ta '48V taħt kurrent dinamiku, li huwa kruċjali biex wieħed jifhem it-tħaddim sikur u affidabbli ta' pakketti ta 'batteriji tal-jone tal-litju, speċjalment f'applikazzjonijiet li jeħtieġu qawwa għolja u densità ta' enerġija.

Ir-riżultati sperimentali jindikaw li l-imġieba tat-temperatura tal-pakkett tal-batterija hija kumplessa u mhux lineari, b'differenzi bejn batteriji, moduli differenti, u l-pakkett kollu tal-batterija. It-temperatura barra l-pakkett tal-batterija hija aktar baxxa mill-batterija interna minħabba trasferiment aħjar tas-sħana konvettiva, u t-temperatura terminali pożittiva ta 'batterija waħda hija ogħla mit-temperatura terminali negattiva. Modulu huwa aktar sensittiv għal kurrenti għolja, li jirriżulta f'żieda aktar mgħaġġla fit-temperatura u ġenerazzjoni tas-sħana, li jistgħu jinkisbu biss billi jiġu studjati l-moduli kollha fl-istess pakkett ta 'batteriji tal-jone tal-litju.

L-imġieba tat-temperatura tal-pakkett tal-batterija hija prinċipalment influwenzata minn Tmax, li huwa aktar sensittiv għall-kurrent. Trise hija prinċipalment dovuta għal kurrent għoli u s-sħana ġġenerata mill-moviment tal-jonji tal-litju permezz tas-separatur. Id-differenza bejn Tmin u Tavg tvarja b'mod lineari taħt kurrent kostanti, filwaqt li d-differenza bejn Tmax u Tavg tvarja b'mod mhux lineari taħt bidliet kurrenti, speċjalment taħt differenzi kbar fil-kurrent.

B'mod ġenerali, is-sejbiet tar-riċerka jindikaw l-importanza li tiġi eżaminata u evalwata individwalment l-imġieba termali ta 'kull batterija, modulu, u l-pakkett kollu tal-batterija biex jifhmu l-kumplessità u l-imġieba mhux lineari ta' pakketti ta 'batteriji tal-jone tal-litju taħt kurrenti dinamiċi. Ir-riżultati ta 'dan l-istudju se jikkontribwixxu għall-iżvilupp ta' sistemi ta 'ġestjoni termali tal-batteriji aktar effiċjenti u affidabbli għal pakketti ta' batteriji tal-jone tal-litju f'applikazzjonijiet tal-karozzi fil-futur. Meta jiġu ddeterminati strateġiji u parametri ta 'ġestjoni termali tal-batterija, huwa meħtieġ li jitqiesu d-differenzi bejn il-modulu Tavg, id-dipendenza ta' Tavg fuq Tmax, u l-impatt tal-lokazzjoni tal-batterija fuq il-bidliet fit-temperatura tiegħu.