Thermischer Test der EV-Lithiumbatterie

Thermischer Test der EV-Lithiumbatterie

In den letzten Jahren haben sich Elektrofahrzeuge rasant weiterentwickelt, und auch Power-Batterien als Schlüsselkomponente von Elektrofahrzeugen haben eine rasante technologische Entwicklung durchlaufen. Die Leistung und Lebensdauer von Leistungsbatterien bestimmen direkt die Leistung und Kosten von Fahrzeugen mit Elektroantrieb. Derzeit werden in Fahrzeugen mit Elektroantrieb hauptsächlich Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatorbatterien verwendet. Lithium-Ionen-Batterien haben nach und nach Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien als Hauptbatterien für Fahrzeuge mit Elektroantrieb abgelöst, da sie Vorteile wie hohe spezifische Leistung, große Energiedichte, lange Lebensdauer und geringen Eigenverbrauch bieten Entladungsrate, lange Lagerzeit und keine Verschmutzung.

Die in Elektrofahrzeugen verwendete Leistungsbatterie besteht aus mehreren in Reihe und parallel angeordneten Batteriezellen, die ein Batteriepaket bilden. Die Batteriezellen sind eng aneinandergereiht und beim Laden und Entladen erzeugt jede Zelle eine große Wärmemenge. Die von den Batteriezellen erzeugte Wärme beeinflusst sich gegenseitig. Wenn die Wärmeableitung ungleichmäßig ist, führt dies zu einem schnellen Anstieg der lokalen Temperatur des Batteriesatzes, verschlechtert die Konsistenz der Batterie und verkürzt ihre Lebensdauer erheblich. In schwerwiegenden Fällen kann es zu einem thermischen Durchgehen einiger einzelner Batterien kommen bei relativ schweren Unfällen.

Wenn sich der Power-Akku gleichzeitig in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen befindet, nimmt die Lade- und Entladeleistung des Lithium-Ionen-Akkus erheblich ab. Die Hersteller und Profis der Lithium-Ionen-Batterie haben diesbezüglich umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Derzeit wird allgemein angenommen, dass die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie bei niedrigen Temperaturen auf den SEI-Film, die Oberflächenladungsübertragungsimpedanz, die Diffusion von Lithiumionen in der Elektrode und andere Gründe zurückzuführen ist, aber die Hauptfaktoren sind, die die Leistung bei niedrigen Temperaturen beeinflussen des Akkus sind nicht ermittelt. Beim Lade- und Entladevorgang von Akkus bei niedrigen Temperaturen entsteht zudem Wärme. Ob diese Wärme zur Wiederherstellung der Batterieleistung beitragen kann, wurde in der einschlägigen Literatur noch nicht untersucht. Daher ist es notwendig, relevante Untersuchungen zu den thermischen Eigenschaften von Batterien durchzuführen.

1 Laden und Entladen des Akkus bei Raumtemperatur

In diesem Abschnitt werden die Wärmeerzeugungseigenschaften einer 35-Ah-Lithium-Manganoxid-Batterie beim Laden und Entladen unter natürlichen Wärmeableitungsbedingungen untersucht. Die Batteriezellen werden in einem Raum ohne erzwungene Wärmeableitung unter natürlichen Wärmeableitungsbedingungen aufgehängt. Während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie wird ein 16-Kanal-Temperaturmesssystem verwendet, um die Batterietemperatur zu messen.

1.1 Wärmeentwicklungseigenschaften bei Batterieentladung

Entladen Sie die Batterien in einer Umgebung mit natürlicher Wärmeableitung mit Raten von jeweils 0,3 °C, 0,5 °C, 1 °C, 2 °C, 3 °C und 4 °C. Hängen Sie die Batterie zunächst in einer Umgebung ohne erzwungene Wärmeableitung bei Raumtemperatur auf. Laden Sie den Akku vor dem Entladen mit einem konstanten Strom bis zu einer konstanten Spannung von 1C/3 auf und lassen Sie ihn nach dem vollständigen Laden 2 Stunden lang stehen. Führen Sie dann eine Konstantstromentladung mit einer bestimmten Rate und einer Abschaltspannung von 3 V durch. Aufgrund der Tatsache, dass das Experiment in einer Umgebung mit natürlicher Wärmeableitung durchgeführt wurde, schwankt die Raumtemperatur in verschiedenen Zeiträumen leicht. Um den Vergleich zu erleichtern, wurde die Starttemperatur der Batterie während des Ziehvorgangs gleichmäßig auf 20 °C eingestellt.

Aus den experimentellen Ergebnissen ist ersichtlich, dass während des Entladevorgangs die Temperatur des positiven Ohrs der Batterie etwas höher ist als die des negativen Ohrs, und dieser Trend ist bei Entladung mit hoher Geschwindigkeit deutlicher. Mit zunehmender Entladerate der Batterie steigt die Temperatur der positiven und negativen Anschlüsse der Batterie schnell an. Bei einer Entladung bei 0,3 °C steigt die Temperatur des Pluspols der Batterie von 20 °C auf 21,9 °C, also nur um 95 %;

Beim Entladen bei 1 °C stieg die Temperatur des positiven Elektrodenohrs der Batterie von 20 °C auf 24,3 °C, was einem Anstieg von 21,5 % entspricht; Beim Entladen bei 2 °C stieg die Temperatur des positiven Elektrodenohrs der Batterie um 48 % von 20 °C auf 29,6 °C; Beim Entladen bei 4 °C stieg die Temperatur der positiven Elektrode der Batterie von 20 °C auf 36,96 °C, was einem Anstieg von 84,8 % entspricht. Daher müssen in Umgebungen mit hohen Temperaturen, wenn die Batterie mit hoher Geschwindigkeit entladen wird, entsprechende Maßnahmen zur Wärmeableitung ergriffen werden. Andernfalls wird die Batterie überhitzt, was zu Leistungseinbußen, verkürzter Lebensdauer und sogar zu einem gefährlichen Zustand des thermischen Durchgehens führt.

Bei unterschiedlichen Entladeraten ist der Temperaturanstiegstrend des Batteriekörpers derselbe wie der der positiven und negativen Elektrodenohren: Der Temperaturanstieg ist in der frühen Phase der Entladung schneller, verlangsamt sich in der mittleren Phase und steigt wieder schnell an das spätere Stadium der Entlassung.

1.2 Wärmeentwicklungseigenschaften beim Batterieladen

Ähnlich wie beim Experiment zum Anstieg der Entladetemperatur wird die Batterie während des Experiments zum Anstieg der Ladetemperatur in einer Umgebung ohne erzwungene Wärmeableitung aufgehängt. Zunächst wird die Batterie mit einem konstanten Strom von 1C/3 und einer Abschaltspannung von 3V entladen. Nachdem die Entladung abgeschlossen ist, lässt man es 2 Stunden lang stehen.

Dann wird ein Konstantstrom-Konstantspannungsladen mit einer Rate von 0,3 C, 0,5 C, 1 C, 2 C, 3 C bzw. 4 C durchgeführt. Der Temperaturunterschied zwischen Plus- und Minuspol der Batterie ist beim Laden geringer als beim Entladen mit gleicher Geschwindigkeit. Während des Ladevorgangs mit konstantem Strom steigt die Temperatur der positiven und negativen Ohren der Batterie schnell an; Während der Ladephase mit konstanter Spannung beginnt die Temperatur der Batterieohren zu sinken, hauptsächlich aufgrund der kontinuierlichen Abnahme des Ladestroms und der Abnahme der Wärmeerzeugungsrate der Batterie. Daher ist der Konstantstromladevorgang beim Laden von Batterien mit konstantem Strom und konstanter Spannung ein wichtiger Schritt der internen Wärmespeicherung in Batterien.

Die Temperatur auf der Vorder- und Rückseite ist nahezu gleich und der Temperaturanstiegstrend des Batteriegehäuses ist der gleiche wie der der positiven und negativen Ohren. Durch die oben genannten Experimente zur Wärmeerzeugung beim Laden und Entladen von Batterien in einer Umgebung mit Raumtemperatur ohne erzwungene Wärmeableitung lässt sich erkennen, dass die Temperatur der Batterie beim Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit schnell ansteigt, was leicht zu Batterieschäden und sogar zu gefährlichen Folgen führen kann Arbeitsbedingungen. Daher müssen Elektrofahrzeuge mit einem Wärmeableitungssystem ausgestattet sein, um die Wärme aus der Batterie abzuleiten und die Batterietemperatur in einem angemessenen Bereich zu halten.

2 Batterieentladung bei niedriger Temperatur

Aufgrund der Tatsache, dass der Lade- und Entladetest bei niedriger Temperatur in einer Temperaturprüfkammer durchgeführt wird, ist es nicht möglich, die Wärmeerzeugung der Batterie durch direkte Messung der Oberflächentemperatur der Batterie zu analysieren, sondern nur auf deren Grundlage Lade- und Entladekurve des Akkus.

Der Akku ist bei niedrigen Temperaturen kaum in der Lage, mit hohem Strom zu laden. Im Experiment wurden konstante Ströme von 35 A und 70 A zum Laden der Batterie verwendet. Unterhalb von 0 °C steigt die Back-End-Spannung der Batterie sofort auf 4,2 V und tritt dann in die Ladephase mit konstanter Spannung ein. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ladestrom der Batterie relativ gering, sodass kein offensichtliches Erwärmungsphänomen auftritt. Da Batterien bei niedrigen Temperaturen kurzzeitig einer Hochstromentladung ausgesetzt sein können, können eingehende Untersuchungen zur Wärmeentwicklung bei der Entladung von Niedertemperaturbatterien durchgeführt werden.

Um die Wärmeerzeugung von Batterien bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen, wurden die Batterien in eine Umgebung mit niedriger Temperatur gebracht und einer konstanten Stromentladung mit der gleichen Geschwindigkeit ausgesetzt. Der Akku wird zunächst bei Raumtemperatur mit einem konstanten Strom bis zu einer konstanten Spannung von 1 °C/3 °C aufgeladen, vollständig aufgeladen und dann 5 Stunden lang in einer Temperaturkammer belassen.

Anschließend wird es mit einer konstanten Stromrate und einer Abschaltspannung von 3 V entladen. Entladen Sie im Temperaturbereich von 0 °C bis -40 °C mit konstanten Strömen von 10 A, 35 A, 70 A bzw. 140 A. Zum Vergleich mit der Entladung bei Raumtemperatur ist in der Abbildung die Entladungssituation der Batterie bei 20 °C dargestellt, und die gleiche Methode wird für die nachfolgende Behandlung verwendet.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass:

(1) Beim Entladen mit niedrigem Strom ist die Wärmeentwicklung der Batterie nicht signifikant und es gibt keine signifikanten Schwankungen in der Entladekurve der Batterie bei verschiedenen niedrigen Temperaturen.

(2) Beim Entladen bei niedriger Temperatur und hohem Strom kommt es zu einer erheblichen Wärmeentwicklung in der Batterie, da die Entladekurve der Batterie einen nichtlinearen Zustand mit offensichtlichen Tal- und Spitzenformen aufweist und die Entladespannung stark schwankt.

Am Beispiel einer 70-A-Konstantstromentladung ist die Entladekurve beim Entladen bei 20 °C und 0 °C relativ normal und weist keine Talspitzen auf. Bei einer Umgebungstemperatur von -10 °C weist die Entladekurve deutliche Täler auf. Bei einer Umgebungstemperatur von -20 °C weist die Entladekurve deutliche Talspitzen auf. Die Spannung an beiden Enden der Batterie sinkt von 4,15 V vor der Entladung auf 3,07 V, mit einem Spannungsabfall von 108 V. Anschließend beginnt die Spannung anzusteigen, erreicht ein Maximum von 3,35 V und beginnt dann abzufallen. Dies weist darauf hin, dass während der Hochstromentladung bei niedrigen Temperaturen in der Anfangsphase der Entladung aufgrund der niedrigen Temperatur der Batterie die aktiven Substanzen in der Batterie nicht vollständig genutzt werden können, die Elektrodenpolarisierung stark ist und der Innenwiderstand der Batterie zunimmt Batterie ist hoch.

Daher nimmt die Entladespannung der Batterie im Anfangsstadium der Entladung schnell ab. Mit fortschreitender Entladung wird aufgrund des hohen Innenwiderstands der Batterie eine große Wärmemenge im Inneren der Batterie erzeugt, wodurch die Temperatur der Batterie schnell ansteigt und der aktive Materialteil der Batterie aktiviert wird. Daher beginnt die Entladespannung der Batterie anzusteigen. Wenn die Temperatur der Batterie steigt, beginnt der Innenwiderstand der Batterie zu sinken und die erzeugte Wärme nimmt ab. Da die Umgebungstemperatur bei -20 °C bleibt, sinkt die Temperatur des Akkus und auch die Entladespannung des Akkus sinkt.

(3) In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen verbessert sich die Leistung der Batterie nach dem Erhitzen mit zunehmendem Entladestrom deutlich. Daher ist ersichtlich, dass bei niedrigen Temperaturen, wenn die Leistungsbatterie vorgewärmt ist, die Leistung der Batterie vollständig aufrechterhalten werden kann, wenn man sich auf die während des Betriebs der Batterie erzeugte Wärme verlässt.

3 Fazit

Mit zunehmendem Lade- und Entladestrom steigt die Batterietemperatur schnell an. Daher muss die Entladerate der Leistungsbatterie bis zu einem gewissen Grad kontrolliert werden, und es ist nicht ratsam, eine Entladung mit hoher Rate über einen längeren Zeitraum durchzuführen. Bei hohen Umgebungstemperaturen oder hoher Entladungsrate muss eine entsprechende Wärmeableitung eingesetzt werden. Daher müssen Elektrofahrzeuge ein Batteriewärmeableitungssystem installieren, um die Batterietemperatur in einem angemessenen Bereich zu halten.

In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann die beim Entladen der Batterie entstehende Wärme genutzt werden, um die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Beim Entwurf eines Batterieheizsystems kann diese Funktion genutzt werden, indem einfach eine Vorheizung der Batterie in Betracht gezogen wird.