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Tieftemperaturtest für Li-Ionen-Batterie

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Tieftemperaturtest für Li-Ionen-Batterie

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Die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit großem Potenzial auf dem derzeitigen Markt. Derzeit konzentriert sich die Forschung über Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien hauptsächlich auf das Batteriemanagementsystem und die Einschätzung des Ladezustands. Ihre Leistung muss weiter erforscht werden, insbesondere die Leistung bei niedrigen Temperaturen. Derzeit werden die ausrangierten Geräte, die für die wissenschaftliche Forschung in der Antarktis verwendet werden, hauptsächlich mit Blei-Säure-Batterien betrieben, die eine starke Umweltverschmutzung verursachen.

Die spezifische Leistung und die spezifische Energie von Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien sind jedoch höher als die von Blei-Säure-Batterien, haben eine geringe Selbstentladung und sind umweltfreundlicher. Der mehrjährige kalte Sturm in der Antarktis, wie z. B. die Kunlun-Station, die sich auf der höchsten Höhe der Antarktis befindet, hat eine jährliche Durchschnittstemperatur von -58,4 ℃ und eine Mindesttemperatur von -82 ℃. Dieses Papier simuliert die antarktische Tieftemperaturumgebung, führt Lade- und Entladeversuche an Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien unter verschiedenen Tieftemperaturumgebungen durch und analysiert die experimentellen Ergebnisse, um eine Grundlage für die Batterieauswahl und die Auslegung des Heizsystems zu schaffen.

1.Batterieladetest

Bei diesem Test wurde eine stabilisierte Gleichstromversorgung zum Laden der Batterie verwendet, und es wurde eine Testkammer mit abwechselnd hohen und niedrigen Temperaturen verwendet, um eine polare Niedrigtemperaturumgebung zu simulieren. Der Konstantstrom-Ladestrom und die maximal zulässige Ladespannung des stabilisierten DC-Netzteils wurden eingestellt. Die im Experiment eingestellten Ladeströme betrugen 1, 2 bzw. 3 A, und die Ladeschlussspannung betrug 14,7 V. Wenn die Batterie auf 14,7 V aufgeladen war, beendete das Netzteil die Konstantstromladung und begann mit der Konstantspannungsladung. Der Ladevorgang der Batterie läuft wie folgt ab: In der Anfangsphase befindet sich der Strom in einem Konstantstromladezustand. Im weiteren Verlauf des Ladevorgangs steigt die Batteriespannung allmählich an. Wenn sie sich 14,7 V nähert, wird auf Konstantspannungsladung umgeschaltet, und der spezifische Strom sinkt allmählich auf etwa 0,2 A.

In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen ist es für die Lithium-Ionen schwierig, unter -20 ℃ in die Graphitanode eingebettet zu werden, so dass die Ladefähigkeit der Lithium-Eisenphosphat-Batterie reduziert wird und die Ladegeschwindigkeit in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen deutlich geringer ist als bei normalen Temperaturen. Während des Ladevorgangs steigt die Innentemperatur des Akkus häufig an, was sich negativ auf das Laden des Akkus bei Raumtemperatur auswirkt. Der Temperaturanstieg während des Ladens bei niedrigen Temperaturen verbessert jedoch die Ladeeffizienz der Batterie. Da die Ladekapazität von Batterien bei niedrigen Temperaturen erheblich abnimmt, wurden die Batterien in verschiedenen Umgebungen mit niedrigen Temperaturen platziert und bei konstantem Strom und konstanter Spannung mit unterschiedlichen Strömen geladen, um die Ladeleistung von Batterien bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen. In diesem Experiment wird ein niedriger Ladestrom verwendet, um die Ladeakzeptanzrate der Batterie zu erhöhen. Der Ladestrom beträgt 1, 2 bzw. 3 A. Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie wird bei normaler Umgebungstemperatur, -10, -20 und -30 °C mit konstantem Strom und konstanter Spannung geladen. Es gibt insgesamt 12 Gruppen von Experimenten. Die Daten werden gesammelt und ausgewertet.

Laden Sie die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie bei konstantem Strom und konstanter Spannung mit 3A Strom auf und sammeln und speichern Sie alle 10 Minuten Daten. Aus den Daten ist ersichtlich, dass die Batterie in der Anfangsphase des Ladevorgangs mit einem konstanten Strom von 3 A geladen wird. Die Spannung ändert sich deutlich, und die Spannungskurve steigt steil auf etwa 13 V an, um dann in ein Spannungsplateau überzugehen. Die Kurve steigt leicht an, und schließlich bleibt die Spannung konstant. Der Strom beginnt zu sinken, auf etwa 0,2A, und der Ladevorgang endet.

Aus dem Vergleich geht hervor, dass sich die Zeit, in der die Spannung in die Plateauphase eintritt, mit abnehmender Umgebungstemperatur verkürzt, wenn die Lithium-Eisenphosphat-Batterie mit demselben Strom und konstanter Spannung geladen wird. Die Anzahl der Sammelvorgänge beginnt bei normaler Temperatur etwa 50-mal, bei -10 ℃ etwa 40-mal, bei -20 ℃ etwa 20-mal und bei -30 ℃ weniger als 20-mal in die Spannungsplateauphase einzutreten; der allgemeine Aufwärtstrend der Batteriespannung bleibt unverändert, aber je niedriger die Temperatur, desto schneller erreicht die Batterie den eingestellten Spannungswert, was bedeutet, dass die Zeit bis zum Abschluss des Ladevorgangs kürzer ist. Bei Raumtemperatur schließt die Batterie den Ladevorgang ab, wenn die Abholfrequenz 400 Mal beträgt, 300 Mal bei -10 ℃, 200 Mal bei -20 ℃ und 120 Mal bei -30 ℃. Während des Experiments wurde auch festgestellt, dass beim Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung bei gleichem Strom die Ladephasen für konstanten Strom und konstante Spannung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen unterschiedlich sind. Je niedriger die Temperatur ist, desto kürzer ist die Konstantstrom-Ladestufe, und es kommt sogar direkt zur Konstantspannungs-Ladestufe. Je niedriger die Temperatur, desto kürzer ist die Ladezeit, wenn die Batterie auf die gleiche Weise geladen wird.

2.Entladungstest der Batterie

In diesem Experiment wurde die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie durch Entladung mit konstantem Strom entladen, und ein hochpräziser Batteriekapazitätstester wurde für das Entladeexperiment ausgewählt. Bei diesem Versuch handelt es sich um eine Entladung mit geringem Strom, und der Entladestrom des Prüfgeräts wurde auf 2A eingestellt. Um die Batterie vollständig zu entladen, wird die Entladeschlussspannung auf 9,5 V eingestellt.

Um die Entladeleistung von Batterien in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen zu untersuchen, wurden vollständig geladene Batterien bei verschiedenen Umgebungstemperaturen platziert und einer konstanten Entladung mit demselben Strom unterzogen. In diesem Experiment wird ein kleiner Entladestrom verwendet, um die Entladungseffizienz der Batterie zu verbessern, da in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen der Strom gleichmäßig auf die Batterieelektrode verteilt wird und die chemische Reaktion innerhalb der Batterie vollständig abläuft, was die Entladetiefe der Batterie erhöhen kann. In diesem Experiment wurde 2A Strom verwendet, um Lithium-Eisenphosphat-Batterie bei Raumtemperatur, -10, -20, -30 ℃, insgesamt 4 Gruppen von Experimenten zu entladen.

In der Anfangsphase der Batterieentladung kommt es zu einem starken Spannungsabfall, gefolgt von einer allmählichen Abnahme, die lange Zeit anhält. Am Ende der Entladung fällt die Spannung steil auf die Abschaltspannung ab. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass bei gleicher Entladerate die anfängliche Entladespannung der Batterie mit sinkender Temperatur abnimmt. Die anfängliche Entladespannung beträgt 14,48 V bei Raumtemperatur, 14 V bei -10 ℃, 13,6 V bei -20 ℃, und 13,3 V bei -30 ℃.

Die Spannung der Lithium-Eisenphosphat-Batterie fällt zu Beginn der Entladung plötzlich ab. Dies liegt daran, dass beim Entladen der Batterie in einer Umgebung mit niedriger Temperatur, wenn die Temperatur der Batterie zu sinken beginnt, die aktiven Substanzen, die an der Reaktion innerhalb der Batterie beteiligt sind, abnehmen und nicht vollständig reagieren können, was zu einer Zunahme des Polarisationseffekts der Batterie führt. Daher fällt die Klemmenspannung in der Anfangsphase der Batterieentladung stark auf etwa 13,3 V ab, und die linke und rechte Batteriespannung beginnt, eine stabile Entladung mit langsamen Spannungsänderungen aufrechtzuerhalten. Mit fortschreitender Entladung der Batterie erhöht sich der Innenwiderstand der Batterie, die Innentemperatur der Batterie steigt und ein Teil der aktiven Substanzen in der Batterie wird aktiviert. Wenn die Spannung auf etwa 12,5 V sinkt, fällt die Batteriespannung plötzlich wieder ab. Wenn die Temperatur der Batterie weiter ansteigt, sinkt der Innenwiderstand der Batterie, und die Wärmeentwicklung im Inneren der Batterie nimmt ab. Die Umgebungstemperatur bleibt jedoch bei 10 ℃, so dass die Temperatur der Batterie zu sinken beginnt und die Spannung ebenfalls sinkt.

Die Spannung der Lithium-Eisenphosphat-Batterie ändert sich in der Anfangsphase der Entladung und in der Endphase der Kapazitätserschöpfung der Batterie sehr schnell, während sich die Entladespannung in der Plateauphase kaum ändert, was darauf hindeutet, dass die Batterie unter der Spannung in der Plateauphase stabil arbeiten kann. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass sich die Entladezeit der Lithium-Eisenphosphat-Batterie mit abnehmender Umgebungstemperatur verkürzt, was darauf hindeutet, dass die Entladekapazität der Lithium-Eisenphosphat-Batterie allmählich nachlässt. Die Sammelzeiten der Batterie bei voller Entladung bei Raumtemperatur sind etwa 270 mal, die Sammelzeiten der Batterie bei voller Entladung bei -10 ℃ sind etwa 220 mal, die Sammelzeiten der Batterie bei voller Entladung bei -20 ℃ sind etwa 100 mal und die Sammelzeiten der Batterie bei voller Entladung bei -30 ℃ sind etwa 90 mal. Wenn die Batterie mit konstantem Strom entladen wird, bleibt der allgemeine Trend der Abnahme der Entladespannung unverändert.

3.Schlussfolgerung

Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie wurde getestet. Die Hoch- und Tieftemperatur-Wechselprüfkammer des Labors wurde verwendet, um die antarktische Tieftemperaturumgebung zu simulieren, und die Lade- und Entladeversuche der Lithium-Eisenphosphat-Batterie unter verschiedenen Temperaturbedingungen wurden mit einer regulierten Gleichstromversorgung und einem Batteriekapazitätsdetektor durchgeführt. Die Schlussfolgerung war, dass die anfängliche Entladespannung der Lithium-Eisenphosphat-Batterie bei niedrigen Temperaturen mit der kontinuierlichen Abnahme der Temperatur allmählich abnahm, die Lade- und Entladezeit allmählich abnahm und die Lade- und Entladekapazität abnahm.

Wenn die Umgebungstemperatur der Lithium-Eisenphosphat-Batterie -10 ℃ oder weniger beträgt, ist die Ladung der Batterie mit niedrigem Strom höher als die mit hohem Strom. Aus den obigen Schlussfolgerungen ist ersichtlich, dass die Leistung der Lithium-Eisenphosphat-Batterie bei niedrigen Temperaturen schlechter wird. Die Lade-Entlade-Kapazität der Batterie ist bei -10 ℃ beträchtlich. Daher kann bei der Verwendung in der Antarktis in Betracht gezogen werden, die Batterie auf etwa -10 ℃ zu erwärmen.