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Lithium-EV-Batterie Niedrigtemperaturtest

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Lithium-EV-Batterie Niedrigtemperaturtest

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Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Energiebatterietechnologie sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien aufgrund ihrer hohen Sicherheit, langen Lebensdauer, hohen Energiedichte und hohen Spannungsplattform als die vielversprechendste elektrochemische Energiequelle anerkannt und finden breite Anwendung im Bereich der Elektrofahrzeuge. Leistungsbatterien sind die direkte Energiequelle für Elektrofahrzeuge und eine Kernkomponente von Elektrofahrzeugen. Da in der Batterietechnologie in kurzer Zeit keine bedeutenden Durchbrüche erzielt werden konnten, ist die Erforschung und Verbesserung der Arbeitsleistung von Batterien zu einer wichtigen Forschungsrichtung geworden.

Die Batterietemperatur ist ein wichtiger Faktor, der die Leistung von Leistungsbatterien beeinflusst. Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben bei Raumtemperatur eine hervorragende Leistung. Wenn die Lithium-Ionen-Batterie unter 0 ℃ betrieben wird, verschlechtert sich ihre Entladeleistung erheblich. Mit fortschreitendem Lade- und Entladezyklus wird die Batteriekapazität irreversibel abnehmen. In der Studie über die Tieftemperatureigenschaften und -mechanismen von Lithium-Ionen-Batterien wurde festgestellt, dass eine zu niedrige Temperatur zur Kristallisation von flüssigen Elektrolyten führen kann, was die Migrationsrate von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden verlangsamt, was zu schlechteren Tieftemperatur-Lade- und Entladeeigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien führt.

Im Hinblick auf die Analyse der Tieftemperaturleistung von Lithium-Ionen-Batterien haben Forscher im In- und Ausland umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, einschließlich der Analyse der ersten Prinzipien, der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und der Analyse der Lade-Entladeleistung. Die Erstellung eines thermischen Modells für Lithium-Eisenphosphat-Batterien ist eine wichtige Methode zur Untersuchung ihrer Tieftemperatureigenschaften. Derzeit gibt es drei Haupttypen von thermischen Modellen für Lithium-Ionen-Batterien, nämlich das elektrothermische Kopplungsmodell, das elektrochemische thermische Kopplungsmodell und das thermische Missbrauchsmodell.

Dieser Artikel befasst sich mit der Analyse des Tieftemperaturverhaltens von Lithium-Eisenphosphat-Batterien und der Simulation von thermischen Batteriemodellen, wobei der Schwerpunkt auf dem Tieftemperaturverhalten von Lithium-Eisenphosphat-Strombatterien liegt. Ziel ist es, die Tieftemperatureigenschaften von Lithium-Eisenphosphat-Batterien systematisch und umfassend zu erfassen und damit eine theoretische Grundlage für ihre Anwendung im Bereich der Elektrofahrzeuge zu schaffen.

1 Tieftemperaturtest und Analyse der dynamischen Eigenschaften

1.1 Versuchsaufbau für das Tieftemperaturverhalten von Batterien

Die experimentellen Schritte umfassen im Wesentlichen zwei Teile: die Prüfung der Standardkapazität bei verschiedenen Temperaturen und die Prüfung der dynamischen Eigenschaften. Die Versuchsschritte lassen sich wie folgt zusammenfassen:

(1) Wählen Sie eine nagelneue Einzelbatterie als Versuchsobjekt und legen Sie sie in eine Temperaturkammer. Stellen Sie die Temperatur auf 25℃ Raumtemperatur ein, lassen Sie sie 2 Stunden lang stehen und entladen Sie die Batterie mit 1 C Konstantstrom bis zur Abschaltspannung von 2,5 V

(2) Stellen Sie die Temperatur des Inkubators auf den entsprechenden experimentellen Temperaturwert ein, lassen Sie ihn 2 Stunden lang stehen und führen Sie einen Standardkapazitätstest an der Batterie durch. Der Standard-Kapazitätstest umfasst zwei Schritte: Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung (CCCV, konstanter Strom und konstante Spannung, konstanter Strom 0,5 C, konstante Spannung 3,65 V, Abschaltstrom 0,01 C) und Entladen mit 1 C konstantem Strom und einer Abschaltspannung von 2,5 V. Dieser Schritt wird verwendet, um die Lade- und Entladekapazität der Batterie bei der aktuellen Umgebungstemperatur zu ermitteln;

(3) Stellen Sie die Temperatur des Inkubators auf eine Raumtemperatur von 25 ℃ ein, lassen Sie ihn 2 Stunden lang stehen und verwenden Sie die Konstantstrom-Konstantspannungs-Lademethode (CCCV, Konstantstrom 0,5 C, Konstantspannung 3,65 V, Abschaltstrom 0,01 C), um die Batterie vollständig zu laden

(4) Um die Leistung der Batterie bei verschiedenen Temperaturen zu vergleichen, wurden die obigen Versuchsschritte bei -15, 0, 10, 25 bzw. 40 ℃ wiederholt.

Eine experimentelle Plattform zur Prüfung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen, die insbesondere eine Hoch- und eine Tieftemperaturkammer zur Temperaturkontrolle in der experimentellen Umgebung umfasst: ein Batterietestsystem zur Prüfung der Batterieleistung; eine einzellige Lithium-Eisenphosphat-Batterie als Testobjekt; eine obere Computersoftware, die zur Programmierung der benutzerdefinierten Batterietestmethode und zur Aufzeichnung der Batterietestdaten verwendet wird. Bei der im Experiment verwendeten einzelligen Batterie handelt es sich um eine Lithium-Eisenphosphat-Softpack-Batterie mit einer Nennkapazität von 40 Ah.

1.2 Dynamische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen

Auf der Grundlage der experimentellen Daten zur Leistung von Batterien bei niedrigen Temperaturen werden die Lade- und Entladekurven von Lithium-Eisenphosphat-Batterien bei verschiedenen Temperaturen ermittelt. Die Batterie wird mit konstantem Strom und konstanter Spannung geladen. Der Ladestrom in der Konstantstromphase beträgt 0,5 C, und die Ladespannung in der Konstantspannungsphase beträgt 3,65 V. Wenn der Ladestrom weniger als 0,01 C beträgt, wird der Ladevorgang gestoppt. Die Entladung der Batterie erfolgt mit einem Konstantstrom von 1 C und endet, wenn die Klemmenspannung der Batterie auf 2,50 V fällt. Je niedriger die Temperatur, desto steiler sind die Lade- und Entladeeigenschaften des Akkus und desto geringer ist die verfügbare Lade- und Entladekapazität des Akkus.

Quantitative Analyse der Lade- und Entladekurven von Lithium-Eisenphosphat-Batterien, um die verfügbaren Lade- und Entladebereiche für Batterien bei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln. Es zeigt sich, dass die verfügbare Lade- und Entladereichweite der Batterie umso kleiner ist, je niedriger die Temperatur ist. Wenn die Batterie bei einer Umgebungstemperatur von -15 ℃ betrieben wird, beträgt der verfügbare Lade- und Entladebereich der Batterie nur 22,2 % der Nennkapazität, was die normalen Arbeitsanforderungen der Leistungsbatterie nicht mehr erfüllen kann. Wenn die Batterie bei 40 ℃ betrieben wird, kann die gemessene maximale Wiederaufladungsgrenze der Batterie 110 % erreichen. Dies liegt daran, dass mit steigender Temperatur die freie Gibbs-Energie der elektrochemischen Reaktion in der Batterie, die verrichtete elektrische Arbeit und die entsprechende wiederaufladbare Kapazität zunehmen.

Es ist zu beachten, dass der SOC eine relative Größe ist, die im Voraus definiert werden muss. In diesem Artikel wird er wie folgt definiert: Bei Verwendung der Konstantstrom-Entlademethode mit 0,01 C wird die Batterie auf 2,50 V entladen, und der Zustand bei der Abschaltspannung wird als 0 % SOC definiert. Bei Verwendung der Konstantstrom- und Konstantspannungs-Lademethode (CCCV, Konstantstrom 0,5 C, Konstantspannung 3,65 V, Abschaltstrom 0,01 C) wird der Zustand der Batterie, wenn sie bis zum Abschaltstrom 0,01 C geladen wird, als 100 % SOC definiert; die obigen Definitionen werden alle bei Raumtemperatur von 25 ℃ durchgeführt.

2 Identifizierung der Parameter des thermischen Modells

2.1 Identifizierung der thermophysikalischen Parameter der Batterie

Basierend auf dem Batteriemodell werden die Modellparameter durch Lade- und Entladeversuche ermittelt. Wenn die Batterie während des Experiments in einer Umgebung von 20 ℃ platziert wird, kann annähernd davon ausgegangen werden, dass nur natürliche Konvektionswärme an der Oberfläche der Batterie übertragen wird. Die Lade- und Entladeexperimente wurden bei 1 C, 1,5 C, 2 C und 2,5 C durchgeführt, mit Abschaltspannungen von 3,65 bzw. 250 V. Die Ladungsreaktion einer Batterie ist ein endothermer Prozess, während die Entladungsreaktion ein exothermer Prozess ist. Da die absoluten Werte der Reaktionswärme während des Lade- und Entladevorgangs gleich sind, wird nur der Entladevorgang analysiert.

Das Kurvendiagramm der Temperatur der Batterieoberfläche über die Zeit bei verschiedenen Entladeraten. Es ist zu erkennen, dass die Temperaturmesswerte kleine Schwankungen aufweisen, die vor allem durch die hohe Empfindlichkeit der Wärmebildkamera, mehrere Abtastpunkte und den Einfluss des Umgebungslichts verursacht werden. Diese kleinen Schwankungen haben keinen Einfluss auf den Gesamttrend der Temperaturveränderungen. Durch die Verwendung numerischer Methoden zur Berechnung der Steigungen der einzelnen Kurven können die Steigungen der vier Kurven in eine gerade Linie eingepasst werden, und nach der Formel kann die spezifische Wärmekapazität der Batterie C=-0,00333 berechnet werden.

2.2 Identifizierung des Innenwiderstands der Batterie

Da die durch den Innenwiderstand der Batterie verursachte Joule-Wärme die Hauptwärmequelle ist, ist es für eine genaue Analyse der Joule-Wärme während des Reaktionsprozesses der Batterie erforderlich, die Innenwiderstandswerte der Batterie bei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln. Führen Sie einen Hybrid Pulse Power Characteristic Test (HPPC) an der Batterie alle 10 % SOC bei Versuchstemperaturen von -15, 0, 10, 25 und 40 ℃ durch.

Auf der Grundlage der Testdaten wird der Algorithmus der kleinsten Quadrate verwendet, um den Innenwiderstand der Batterie an jedem Testpunkt zu ermitteln. Bei verschiedenen Temperaturen wurde die Beziehungskurve zwischen dem Innenwiderstandswert der Batterie und dem SOC ermittelt. Es zeigt sich, dass die Umgebungstemperatur einen erheblichen Einfluss auf den Innenwiderstand der Batterie hat, und je niedriger die Umgebungstemperatur ist, desto größer ist der Innenwiderstand der Batterie.

3 Simulation des thermischen Modells

3.1 Verifizierung des thermischen Modells der Batterie

Um die Genauigkeit des Modells zu überprüfen, wurde es durch Temperaturexperimente auf der Grundlage der oben beschriebenen Struktur des thermischen Batteriemodells und der Modellparameter validiert. Das Experiment wurde bei einer Umgebungstemperatur von 24,8 ℃ durchgeführt. Während des Experiments wurde die Batterie mit einer Entladungsrate von 0,5 C entladen, und die Temperatur in der Mitte der Batterieoberfläche wurde in Echtzeit mit einem hochpräzisen Platin-Widerstandstemperatursensor erfasst.

Das thermische Modell der Batterie hat eine hohe Genauigkeit und kann den tatsächlichen Reaktionsprozess der Wärmeerzeugung der Batterie simulieren. Mit fortschreitender Entladung der Batterie steigt die Temperatur in der Mitte der Batterieoberfläche allmählich an. Aufgrund der natürlichen Konvektionswärmeübertragung erreicht die Temperatur in der Mitte der Batterieoberfläche mit der Zeit einen stabilen Trend.

3.2 Thermophysikalische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen

Simulierte Oberflächentemperaturverteilungskarte der Batterie beim Entladen mit einer Rate von 0,5 C bis zu einer Abschaltspannung von 2,5 V unter verschiedenen Umgebungstemperaturen. Es ist zu erkennen, dass die Oberflächentemperatur der Batterie aufgrund der Wärmeerzeugung während des elektrochemischen Reaktionsprozesses höher ist als die Umgebungstemperatur, und auch die Mindesttemperatur der Batterieoberfläche weist bei verschiedenen Umgebungstemperaturen erhebliche Unterschiede auf. Der Grund für dieses Phänomen ist, dass der Innenwiderstand der Batterie mit abnehmender Temperatur in einem annähernd exponentiellen Muster ansteigt.

Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen nimmt der Innenwiderstand der Batterie deutlich zu. Wenn im Inneren der Batterie die gleiche Entladungsreaktion stattfindet, nimmt die Wärmeentwicklung aufgrund des Innenwiderstands deutlich zu. Gemäß den Randbedingungen der konvektiven Wärmeübertragung in Batterien wird die Oberflächentemperatur der Batterie daher höher sein als die Umgebungstemperatur.

Gleichzeitig ist festzustellen, dass die Temperatur im oberen Teil der Batterie, insbesondere am Polohr, im Vergleich zu den anderen Teilen deutlich angestiegen ist, und es besteht ein erhebliches Temperaturgefälle vom Polohr zum Boden der Batterie. Dies wird hauptsächlich durch die thermischen physikalischen Eigenschaften des Batteriematerials bestimmt. Die Batteriezelle besteht aus verschiedenen anisotropen Materialien, und die positiven und negativen Elektrodenohren der Batterie bestehen aus Metall-Aluminium bzw. Metall-Nickel. Wenn der Strom durch die Elektrodenanschlüsse fließt, verringert sich die Querschnittsfläche erheblich, und der Innenwiderstand steigt stark an. Die thermische Wirkung des Innenwiderstands an den Elektrodenohren ist deutlich höher als die des Batteriekerns. Daher wird beim elektrochemischen Reaktionsprozess der Batterie der größte Teil der Wärme an den Elektrodenohren erzeugt, und die Wärme wird durch Wärmeleitung von den Elektrodenohren auf die Zelle übertragen, wodurch ein deutliches Temperaturgefälle entsteht.

4 Schlussfolgerung

In diesem Artikel wurden die Tieftemperatureigenschaften von Lithium-Eisenphosphat-Batterien für Elektrofahrzeuge untersucht. Zunächst wurden Experimente zur Leistungsfähigkeit von Batterien bei niedrigen Temperaturen entworfen und durchgeführt. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Lade- und Entladeeigenschaften von Batterien stark von der Temperatur beeinflusst werden. Je niedriger die Temperatur, desto steiler sind die Lade- und Entladeeigenschaften der Batterien und desto geringer ist die verfügbare Lade- und Entladekapazität der Batterien. Zweitens wurden ein thermisches Modell und eine Methode zur Identifizierung von Niedrigtemperaturparametern für Lithium-Eisenphosphat-Batterien entwickelt. Schließlich wurde eine Simulationsstudie über das thermische Modell von Lithium-Eisenphosphat-Batterien durchgeführt.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene thermische Batteriemodell eine hohe Genauigkeit aufweist und den tatsächlichen Reaktionsprozess der Wärmeerzeugung der Batterie simulieren kann. Im elektrochemischen Reaktionsprozess von Batterien wird der größte Teil der Wärme an den Elektrodenohren erzeugt, und die Wärme wird von den Elektrodenohren durch Wärmeleitung in die Zelle übertragen, wodurch ein erheblicher Temperaturgradient entsteht. Wenn die Umgebungstemperatur sinkt, wird der Temperaturunterschied zwischen der Batterieoberfläche und der Umgebungstemperatur größer, und das Temperaturgefälle im unteren Teil der Batterieoberfläche nimmt allmählich zu.