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Luftfahrt Li-Ionen-Batterie-Widerstandstest

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Luftfahrt Li-Ionen-Batterie-Widerstandstest

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Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien sind ein wichtiger Bestandteil von Raumfahrzeugen und liefern Energie für die meisten elektronischen Systeme. Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien wirkt sich direkt auf die Sicherheit, den reibungslosen und wirtschaftlichen Betrieb von Raumfahrzeugen aus. Die Anforderungen an die Batterieleistung unter Luftfahrtbedingungen lassen sich grob in drei Punkte unterteilen: gute Temperaturstabilität, hohe spezifische Energie und lange Zykluslebensdauer. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithiumbatterien haben Kobalt-Ionen-Batterien mehrere Vorteile, wie z. B. einen zuverlässigen Betrieb bei niedrigen Temperaturen, eine stabile Spannungsabgabe, eine hohe spezifische Energie und mehrere Zyklen, wodurch sie die Anforderungen für extreme Bedingungen wie in der Luft- und Raumfahrt erfüllen.

Die Größe des Innenwiderstands einer Batterie bestimmt direkt ihre Kapazität, und gleichzeitig bestimmt der Innenwiderstand einer Batterie auch ihre Arbeitseffizienz. In der Praxis ändert sich der Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Batterien unter verschiedenen Umgebungstemperaturen und SOC-Bedingungen ständig. In der praktischen Forschung kann durch die Kombination der Variationskurve des Batterie-Innenwiderstands der tatsächliche SOC-Wert der Batterie genauer abgeschätzt werden.

Durch experimentelle Tests wurde festgestellt, dass der ohmsche Widerstand und der Polarisationswiderstand der Eisenphosphatbatterie während des Ladens und Entladens allmählich ansteigen, wenn die Temperatur sinkt. Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor, der den Innenwiderstand von Batterien beeinflusst. Die Umgebungstemperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Kapazität von Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Kapazität rasch ab, während sie bei hohen Temperaturen rasch zunimmt. Die Änderungsrate ist jedoch langsamer als bei niedrigen Temperaturen.

In Anbetracht der Sicherheit von Luft- und Raumfahrtbatterien im Einsatz und des Mangels an Forschung über die Innenwiderstandseigenschaften von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien durch Wissenschaftler ist die Temperaturprüfung von Luft- und Raumfahrt-Lithium-Ionen-Batterien notwendig. In diesem Artikel wird der Innenwiderstand von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien bei einer Temperatur von 0-50 ℃ geprüft und die HPPC-Methode (Hybrid Pulse Power Characterization) verwendet, um 45-Ah-ICP-45-Batterien bei verschiedenen Umgebungstemperaturen und SOC-Zuständen zu testen. Die Veränderungen des Innenwiderstands von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien unter verschiedenen Umgebungstemperaturen und SOC werden im Detail untersucht.

1 Prüfung

1.1 Probanden und Ausrüstung

Als Versuchsbatterie wurde eine Lithium-Ionen-Batterie des Typs ICP 45 mit Kobaltoxid verwendet. Die Nennkapazität der Batterie beträgt 45 Ah, und das Material der positiven Elektrode ist Lithiumkobaltoxid. Ausrüstung zum Laden und Entladen der Batterie. Die Box mit konstanter Temperatur ist eine DGBELL-Temperatur-Feuchtigkeits-Testkammer.

1.2 HPPC-Test und Methode zur Berechnung des Innenwiderstands

Es gibt viele Methoden zur Prüfung des Innenwiderstands von Lithiumbatterien, darunter die Volt-Ampere-Kennlinienmethode, die Leerlaufspannungsmethode, die Methode der gemischten Impulsleistungscharakteristik (HPPC) und die AC-Impedanzmethode. In diesem Artikel wird die HPPC-Methode zur Prüfung des Widerstands von Lithiumbatterien verwendet, die im Freedom CAR-Projekt "Power Assisted Hybrid Vehicle Power Battery Test Manual" in den Vereinigten Staaten aufgezeichnet ist. Im Vergleich zu anderen Methoden zur Bestimmung des Innenwiderstands hat diese Methode erhebliche Vorteile in Bezug auf die Genauigkeit und Effizienz der Bestimmung. Die HPPC-Methode kann zur Messung des Polarisationswiderstands und des ohmschen Widerstands von Batterien in verschiedenen Zuständen verwendet werden.

Zunächst wird an beiden Enden der Batterie ein Entladeimpulsstrom angelegt, und die Spannung fällt im Moment der Impulsbelastung auf U 1, dann verlangsamt sich der Abwärtstrend. Nachdem der Strom 10 Sekunden lang anhält, wird die Impulsbelastung zum Zeitpunkt t 2 aufgehoben, und die Spannung steigt sofort wieder auf U 3. Nach einer Wartezeit von 40 Sekunden stabilisiert sich die Spannung bei U 4. Der schrittweise Übergang von U 2 zu U 3 ist auf den ohmschen Innenwiderstand der Batterie zurückzuführen, während der allmähliche Übergang von U 3 zu U 4 ein Spannungsabfall auf beiden Seiten des Polarisationswiderstandes ist und sich die Spannung tendenziell bei U 4 stabilisiert. HPPC berechnet den ohmschen Widerstand und den Polarisationswiderstand einer Batterie, indem es die Spannungsänderungen in der Anfangsphase der Stromladung prüft. Durch Messung der Spannung im Entladeversuch wird der Innenwiderstand beim Laden und Entladen unter verschiedenen Ladezuständen berechnet.

1.3 Test-Schritte

Schritt 1: Aktivieren Sie die Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie durch zyklische Lade- und Entladeversuche. Die Obergrenze der Spannung von ICP 45 liegt bei 4,15 V, die Offline-Spannung bei 3,0 V. Führen Sie drei zyklische Lade- und Entladevorgänge durch, wobei Sie mit einer Rate von 0,2 C laden und mit einer Rate von 0,1 C entladen. Nach jedem Lade- oder Entladevorgang lassen Sie die Batterie 12 Stunden lang stehen;

Schritt 2: Beginnen Sie mit der Entladung der 100% SOC ICP 45-Batterie mit einer Rate von 0,5 C und zeichnen Sie die Entladezeit auf. Nach einer Entladezeit von 12 Minuten (die verbleibenden 90 % des SOC der Batterie werden 1 Stunde lang stehen gelassen) beginnen Sie mit der Prüfung der gemischten Impulsleistungscharakteristik und zeichnen die Leerlaufspannung, den OCV-Entladestrom und die Zeit auf;

Schritt 3: Wiederholen Sie die Schritte des zweiten Schritts, zeichnen Sie die Leerlaufspannung und den Entladestrom der Batterie bei 90 %, 80 %, 70 %, 60 %, 50 %, 40 %, 30 %, 20 %, 10 % und 0 % bei verschiedenen SOC-Werten auf und berechnen Sie den ohmschen Widerstand und den Polarisationswiderstand; Schritt 4: Schalten Sie die elektronische Last und die Ladeleistung aus, trennen Sie das Relais und geben Sie die Daten in eine Excel-Tabelle ein.

2 Testergebnisse und Analyse

2.1 Analyse der Merkmale des ohmschen Innenwiderstands

Der Innenwiderstand von Lithium-Kobaltoxid-Batterien setzt sich aus dem ohmschen Innenwiderstand und dem Polarisationsinnenwiderstand zusammen. Aus der Analyse der experimentellen Daten lässt sich schließen, dass der ohmsche Innenwiderstand mit abnehmender Temperatur kontinuierlich zunimmt. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich der ohmsche Innenwiderstand von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich aus dem Elektrolyten, den elektrischen Anschlüssen sowie den positiven und negativen Elektroden zusammensetzt. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen nimmt die Löslichkeit der Lithiumionen im Elektrolyten innerhalb der Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterie schnell ab, wodurch Lithiumionen im Elektrolyten ausfallen, die Konzentration der Lithiumionen pro Volumeneinheit sinkt, die Diffusionsgeschwindigkeit der Lithiumionen im Elektrolyten verlangsamt wird und der ohmsche Innenwiderstand der Batterie steigt.

Wir haben die Variationsmerkmale des ohmschen Innenwiderstands mit dem SOC bei 0, 10, 20, 30 ℃ und 50 ℃ verglichen und festgestellt, dass der SOC von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien bei Umgebungstemperaturen über 20 ℃ innerhalb des Betriebsbereichs (20%, 100%) langsam variiert. Bei 30 ℃ beispielsweise bleibt der ohmsche Innenwiderstand von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien im Normalbetrieb stabil bei 0,7 m Ω. Daher kann der ohmsche Innenwiderstand der Batterie innerhalb dieses Temperaturbereichs bei SOC (20 %, 100 %) als konstanter Wert angesehen werden.

Der ohmsche Innenwiderstand reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen der Umgebungstemperatur, und wenn die Temperatur weniger als 10 ℃ beträgt, ändert sich der ohmsche Innenwiderstand der Batterie erheblich mit dem SOC der Batterie. Wenn der SOC-Wert der Batterie hoch ist, ist die Ionenbewegung innerhalb der Batterie aktiver, was den Rückgang der Elektrolytaktivität ausgleicht und einen geringeren Einfluss auf den ohmschen Widerstand hat. Wenn jedoch der SOC der Batterie sinkt, nimmt auch die interne Ionenenergie der Batterie ab, was zu einem schnellen Anstieg des ohmschen Widerstands führt. Anhand der beiden Kurven für 10 ℃ und 0 ℃ ist zu erkennen, dass der ohmsche Innenwiderstand mit abnehmender Temperatur schneller ansteigt, je höher der SOC der Batterie ist.

2.2 Analyse des Polarisationsinnenwiderstands und des Gesamtinnenwiderstands

Wir können feststellen, dass der Polarisationswiderstand von Batterien hauptsächlich von der Temperatur beeinflusst wird, was mit der Verlangsamung der Konzentrationsdiffusionsrate bei niedrigen Temperaturen zusammenhängt. Bei 0 ℃ ist der Polarisationswiderstand der Batterie fast dreimal so hoch wie bei 50 ℃ unter den gleichen Bedingungen. Bei der gleichen Temperatur ändert sich der Polarisationswiderstand der Batterie nur sehr wenig, insbesondere wenn der SOC im Bereich von (20%, 90%) liegt, und der Polarisationswiderstand der Batterie kann als konstanter Wert betrachtet werden.

Der Polarisationswiderstand von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien steigt mit der Abnahme des SOC der Batterie im Bereich von (0%, 20%). Der Polarisations-Innenwiderstand von Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterien nimmt mit abnehmender Temperatur zu. Dies liegt daran, dass die Aktivität des dissoziierten Lithiums nach der Kobaltoxid-Lithium-Ionen-Batterie bei niedrigen Temperaturen abnimmt, wodurch die Deinterkalation an der negativen Elektrode erschwert wird, was zu einem Anstieg des Polarisations-Innenwiderstands der Batterie führt. Wenn die Temperatur hoch ist, ist die Energie der Lithiumionen in der negativen Elektrode der Batterie hoch, was die Diffusionsrate der Ionen beschleunigt

Bei einem SOC zwischen 0 % und 20 % steigen der ohmsche Widerstand und der Polarisationswiderstand von Lithium-Ionen-Batterien allmählich mit der Abnahme des SOC. Der Anstieg des ohmschen Innenwiderstands bei abnehmendem SOC ist jedoch deutlich größer als der des Polarisationsinnenwiderstands, was darauf hinweist, dass der ohmsche Innenwiderstand empfindlicher auf den SOC der Batterie reagiert. Bei gleichem SOC-Zustand nehmen sowohl der Polarisationswiderstand als auch der ohmsche Widerstand mit sinkender Temperatur allmählich zu. Durch die Datenanalyse wird festgestellt, dass die Amplitude des Polarisationswiderstandes, die mit der Abnahme der Temperatur zunimmt, signifikant größer ist als die des ohmschen Widerstandes, was darauf hinweist, dass der Polarisationswiderstand empfindlicher auf niedrige Temperaturen reagiert.

Bei niedrigen Temperaturen ist der Polarisations-Innenwiderstand der Batterie relativ hoch, aber er macht nur ein Viertel des gesamten Innenwiderstands der Batterie aus, und sein Einfluss auf die Kapazität und die Arbeitseffizienz der Batterie ist relativ begrenzt. Obwohl der Polarisationswiderstand der Batterie bei niedrigen Temperaturen im Vergleich zur Raumtemperatur um mehr als das Doppelte ansteigt, weist der Polarisationswiderstand von Kobaltoxid-Lithium-Eisen-Batterien im Vergleich zu anderen Widerständen, insbesondere Lithium-Eisen-Phosphat- oder Blei-Säure-Batterien, immer noch eine gute Temperaturstabilität auf.

Die Analyse des Verhältnisses zwischen dem Innenwiderstand der Batterie und dem SOC führt zu dem Schluss, dass im Bereich des SOC (0 %, 20 %) der Gesamtinnenwiderstand der Batterie mit der Abnahme des SOC der Batterie zunimmt. Ein hoher Innenwiderstand führt zu einer erhöhten Wärmeentwicklung der Batterie und verkürzt die Lebensdauer der Batterie. Bei unsachgemäßem Gebrauch entlädt sich der Akku übermäßig und wird unbrauchbar. Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, ist es daher ratsam, den Akku im Bereich von 30 % bis 100 % SOC zu betreiben.

Die Analyse des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Innenwiderstand der Batterie führt zu dem Schluss, dass der Innenwiderstand der Batterie mit abnehmender Temperatur zunimmt und dass ein Anstieg des Innenwiderstands der Batterie zu einer Abnahme der Batteriekapazität führt. Um die Leistungsfähigkeit der Batterie zu gewährleisten, ist es ratsam, die Batterie so weit wie möglich über 10 ℃ zu betreiben. Wenn die Temperatur unter 10 ℃ liegt, muss der Akku vor dem Starten aufgeheizt werden, um die Auswirkungen der niedrigen Umgebungstemperatur auf die Leistungsfähigkeit des Akkus zu vermeiden. Da die Batterie während des Betriebs Wärme erzeugt, ist es nicht notwendig, die Batterie während des Betriebs zu erwärmen.

3 Schlussfolgerung

In diesem Artikel werden Experimente an Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien für die Luftfahrt durchgeführt, die Veränderungen des ohmschen und polarisierenden Innenwiderstands der Batterien bei verschiedenen SOC und Temperaturen analysiert und die Gründe für die entsprechenden Veränderungen zusammengefasst. Der Polarisationswiderstand und der ohmsche Widerstand von Lithium-Ionen-Batterien mit Bohrsäure nehmen mit sinkender Temperatur zu. Der Polarisationswiderstand reagiert empfindlicher auf die Temperatur, während der ohmsche Widerstand von der Temperatur und dem SOC beeinflusst wird. Da der Polarisationswiderstand von Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien mit abnehmender Temperatur zunimmt, ist es notwendig, das Batteriepaket bei niedrigen Temperaturen zu erwärmen, um die Batteriekapazität und -effizienz zu verbessern.