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Prüfung der thermischen Gleichmäßigkeit von Lithium-Ionen-Batterien

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Prüfung der thermischen Gleichmäßigkeit von Lithium-Ionen-Batterien

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Während des Fahrens von Elektrofahrzeugen lädt und entlädt sich die Energiebatterie an Bord kontinuierlich, was mit einer großen Wärmeentwicklung einhergeht. Die Temperatur der Leistungsbatterie hat einen erheblichen Einfluss auf die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit, die Ladekapazität, die Sicherheit, die Lebensdauer, die spezifische Leistung und die spezifische Energie.

Gleichzeitig können die Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Teilen der Monomere innerhalb des Akkupacks und zwischen den verschiedenen Monomeren aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen für die externe Wärmeableitung, der Methoden für das Wärmemanagement und der individuellen räumlichen Anordnung des Akkus die Konsistenz der Leistung des Akkupacks erheblich beeinträchtigen.

Daher ist es notwendig, Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb des Batteriepacks zu ergreifen, um die Temperaturgleichmäßigkeit der Monomeroberfläche und des gesamten Batteriepacks zu verbessern. Graphitplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit GTS mit seiner geringen Dichte, seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seiner relativ weichen Oberfläche können den Wärmewiderstand des Kontakts wirksam verringern, was sie zu einem idealen neuen Typ von Kohlenstoffmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit macht

In diesem Artikel werden quadratische Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, als Forschungsobjekt betrachtet. Es wurde ein Kontrollbatteriepack mit und ohne GTS hergestellt und ein Prüfstand für die thermische Wirkung des Batteriepacks gebaut. Durch die Analyse der Änderungen der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche der Batteriezellen und verschiedenen Positionen des Batteriepacks während der Entladung mit konstantem Strom wurde die Wirkung von GTS auf die Verbesserung der thermischen Gleichmäßigkeit von Lithium-Ionen-Batteriepacks untersucht

1 Prüfung

1.1 Batterie-Parameter

Größe: 180 mm x 100 mm x 32 mm

Gewicht : 1250 g

Spannung: 3,2 V

Kapazität : 40 Ah

Innenwiderstand : ≤2Ω

1.2 Struktureller Aufbau des Batteriepacks

Um die Wirkung von GTS auf die thermische Gleichmäßigkeit von Lithium-Ionen-Batteriemonomeren und Batteriepacks zu überprüfen, wurden zwei Arten von Batteriepacks mit und ohne GTS hergestellt. Batteriepack A bestand aus sechs in Reihe geschalteten Lithium-Eisenphosphat-Batterien mit Temperatursensoren auf der Oberfläche der Monomere und PET-Isoliermaterial am Rand. Batteriepack B diente als Kontrollgruppe für Batteriepack A. Die GTS wurden gleichmäßig an der Seite jeder Batteriezelle verteilt, insgesamt 7 Stück. Die Größe jedes GTS beträgt 180 mm x 0,27 mm x 100 mm. Um die Auswirkungen des Luftstroms über dem Inkubator auf die Temperaturverteilung im Inneren des Batteriepakets zu verringern, wurde eine Batterieabdeckung über dem Batteriepaket zur Abdichtung während des Experiments angebracht.

1.3 Testausrüstung

Es wurde ein Prüfstand gebaut, um die thermische Effizienz von Akkupacks während des Lade- und Entladevorgangs zu testen. Bei der elektronischen Last handelt es sich um eine Batterie. Die Kammer mit konstanter Temperatur ist eine DGBELL-Prüfkammer für hohe und niedrige Temperatur und Feuchtigkeit mit einer Temperaturschwankung von 0,3 ℃ {-40~100 ℃). Das Thermoelement-Temperaturerfassungsinstrument: Der Temperatursensor ist ein K-Typ Thermoelement, mit einer Genauigkeit von ± 0,5 ℃.

1.4 Testverfahren

Bauen Sie einen Prüfstand auf und schreiben Sie ein Programm zur Steuerung der Batterieentladung mit konstantem Strom. Vor dem Test betrug die Gesamtspannung der sechs Batterien 19,62 V, und die Temperatur des Inkubators war auf 18 ℃ eingestellt. Als sich die Temperatur des Thermoelementmesspunkts 18 ℃ näherte und stabilisierte, wurde eine Konstantstromentladung von 1 C (I= - 40 A) gestartet. Während dieses Zeitraums betrug die Abtastfrequenz des Thermoelement-Signalsammlers 4 Sekunden. Nachdem die Abschaltspannung von

15.6 V wurde die 1 C-Konstantstromentladung beendet, und die Daten wurden gespeichert.

2 Testergebnisse und Analyse

2.1 Thermische Gleichmäßigkeit der Batteriezellenoberfläche

Während des Betriebs von Lithium-Ionen-Batterien sind die Polkappen und die Mitte der Batterie repräsentative Temperaturpunkte. Daher werden zwei symmetrische Messpunkte in der Nähe des positiven und negativen Pols ausgewählt, um den Temperaturunterschied in horizontaler Richtung der Batteriezelle zu untersuchen. Wählen Sie zwei Messpunkte auf der vertikalen Mittellinie der Batteriezellenoberfläche, die sich in der Mitte der Batterie und nahe der Oberseite der Batterie befinden, um den Temperaturunterschied in vertikaler Richtung zu untersuchen

Bei der Entladung mit einer Rate von 1 C, die Analyse der Beziehung zwischen dem absoluten Wert der Temperaturdifferenz in der horizontalen Richtung der einzelnen Zelle Oberfläche der Batterie und der Entladungszeit, kann man sehen, dass die Temperatur auf der linken und rechten Seite der horizontalen Richtung der einzelnen Zelle Oberfläche der Batterie-Pack A ist ungleichmäßig, mit einer Temperaturdifferenz von etwa 0,18 ℃. Der Temperaturunterschied in der horizontalen Richtung der Einzelzellenoberfläche von Akkupack B beträgt jedoch nur etwa 0,05 ℃, was 70 % weniger ist als bei Akkupack A, was darauf hindeutet, dass GTS eine Rolle bei der Verteilung der horizontalen Aufprallwärme spielen kann.

Analysiert man die Streuung der absoluten Temperaturdifferenz in vertikaler Richtung auf der Oberfläche der Batteriezelle bei einer Entladungsrate von 1 C, so zeigt sich, dass die Temperaturänderung in vertikaler Richtung auf der einzelnen Oberfläche von Batteriepack A stärker ist und die maximale Temperaturdifferenz 0,45 ℃ erreicht. Der Temperaturunterschied in der vertikalen Richtung der einzelnen Oberfläche von Akkupack B bleibt weiterhin bei etwa 0,05 ℃. Nach 2700 Sekunden beginnt der Temperaturunterschied mit der Wärmeakkumulation zu steigen und erreicht einen Maximalwert von 0,26 ℃, aber nur 58 % des Wertes von Akkupack A. Dies zeigt, dass GTS auch eine Rolle bei der durchschnittlichen Wärmeverteilung in vertikaler Richtung spielen kann.

Der Vergleich zeigt, dass während der Entladung mit einer Rate von 1 C die horizontale Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Batteriezelle kleiner ist als die vertikale Temperaturdifferenz, und die Schwankung der vertikalen Temperaturdifferenz ist stärker, was mit der Struktur und der physischen Größe der Batterie zusammenhängt. Nach der Anordnung von GTS auf der Oberfläche der Batteriezelle ist der Temperaturunterschied zwischen der horizontalen und der vertikalen Richtung auf der Oberfläche der Zelle ähnlich und bleibt in einem kleinen Bereich, was darauf hindeutet, dass GTS die thermische Gleichmäßigkeit der Zelloberfläche wirksam verbessern kann.

2.2 Interne thermische Gleichmäßigkeit des Batteriepacks

Die vier Gruppen von Temperaturdifferenzen sind kleiner, was darauf hindeutet, dass GTS die Gleichmäßigkeit der Temperatur des Batteriepacks verbessern kann, wenn die Batterie nicht in Betrieb ist, was für die Verlängerung der Lagerungsdauer der Batterie von Vorteil ist. Mit zunehmender Entladung staut sich die interne Wärme des Akkupacks allmählich an, und der Temperaturdifferenzwert steigt im Allgemeinen an. Im Vergleich zu Akkupack A ist der Trend der Temperaturdifferenz bei Akkupack B jedoch gleichmäßiger, und der Maximalwert der Temperaturdifferenz ist kleiner (0,41 ℃), während Akkupack A 0,47 ℃ beträgt.

Je kleiner der durchschnittliche Temperaturunterschied ist, desto besser ist die Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb des Akkupacks. Aus den experimentellen Daten geht hervor, dass der durchschnittliche Temperaturunterschied im Akkupack B vor 2600 s kleiner war und der Anstieg relativ gering ausfiel, was darauf hindeutet, dass GTS die thermische Gleichmäßigkeit des gesamten Akkupacks verbessern kann.

Die Varianzstreuung zeigt, dass die Streuung der Temperaturmesswerte der fünf Thermoelemente zu diesem Zeitpunkt umso größer ist, je größer der Varianzwert ist, was bedeutet, dass die Temperaturgleichmäßigkeit des Akkupacks schlechter ist. Der Varianzwert von Akkupack B liegt bei etwa 0,18, mit einem Maximalwert von nur 0,36. Die maximale Varianz von Akkupack A erreicht 120, was dem 3,33-fachen Wert von Akkupack B entspricht, was darauf hindeutet, dass GTS die Temperaturgleichmäßigkeit im Akkupack effektiv verbessern kann

3 Schlussfolgerung

Durch den Vergleich und die Analyse der Oberflächentemperaturdifferenz von Batteriepacks mit und ohne GTS unter 1 C Konstantstrom-Entladebedingungen wurde die Wirkung von Graphitplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf die Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit von quadratischen Batterien untersucht. Die folgenden Schlussfolgerungen wurden gezogen.

(1) Während des Entladevorgangs ist der horizontale Temperaturunterschied auf der Oberfläche der Batteriezelle kleiner als der vertikale Temperaturunterschied, was bedeutet, dass Graphitfolien mit hoher Wärmeleitfähigkeit diesen Unterschied wirksam verringern, die Wärme zwischen verschiedenen Teilen der Batteriezellenoberfläche ausgleichen und die thermische Gleichmäßigkeit der Batteriezellenoberfläche verbessern können.

(2) Als Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeübertragung können Graphitfolien mit hoher Wärmeleitfähigkeit die thermische Gleichmäßigkeit innerhalb des Batteriepacks effektiv verbessern und können als zusätzliche Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeübertragung für Wärmemanagementsysteme von Automobilbatterien verwendet werden, wie z. B. die Verwendung von Phasenwechselmaterialien für Kühlplatten, um die Wärmeverteilung des Batteriepacks auszugleichen und die Leistung des Wärmemanagementsystems zu verbessern