Thermischer Test des Lithium-Akkupacks

Thermischer Test des Lithium-Akkupacks

Der Akku ist die wichtigste Komponente eines Elektrofahrzeugs und liefert Energie für dessen Betrieb. Seine Leistung wirkt sich direkt auf die Arbeitsleistung des Elektrofahrzeugs aus. Eine zuverlässige Sicherheitsleistung ist eine Grundvoraussetzung für Leistungsbatterien, die in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Beim Lade- und Entladevorgang von Batterien entstehen durch elektrochemische Reaktionen, die mit einer großen Wärmemenge einhergehen, verschiedene Spannungen. Insbesondere wenn der Lade- und Entladestrom zu groß ist, ist es wahrscheinlicher, dass es zu Polarisationseffekten kommt, wodurch die Batteriespannung künstlich hoch wird und gleichzeitig die Wärmeentwicklung deutlich zunimmt und der thermische Effekt verstärkt wird. Der schnelle Anstieg der inneren Wärme der Batterie führt zu irreversiblen Schäden an den Wirkstoffionen in der Batterie, wodurch die Leistung der Batterie erheblich beeinträchtigt und ihre Lebensdauer erheblich verkürzt wird. Daher ist die Analyse der thermischen Eigenschaften von Batteriepaketen hilfreich für den sicheren Einsatz von Elektrofahrzeugen.

1 Simulation eines Akkupacks

Der Innenwiderstand eines einzelnen Lithium-Eisenphosphat-Batteriesatzes für Elektrofahrzeuge beträgt 7 mΩ, die Kapazität der Batterie beträgt 10 A·h, die Ladeabschaltspannung beträgt 4.23 V und die Länge, Breite und Höhe des einzelnen Batterie mit einer Masse von 0.27 kg sind 65 mm, 22 mm bzw. 104 mm groß; Der Radius der Stange beträgt 2.25 mm und die Höhe 6.00 mm. Der Batteriesatz besteht aus vier parallelen und zwölf Reihen. Der gesamte Entladestrom bei einer Rate von 1 C beträgt 40 A und der tatsächliche Strom durch eine einzelne Batterie beträgt 10 A. Erstellung eines thermischen Modells des Batteriepakets durch ANSYS.

1.1 Randbedingungen des Wärmeflussfeldes in der Batteriekammer

Das thermische Strömungsfeld innerhalb der Batteriekammer wird mithilfe eines thermischen Fluidkopplungsfelds gelöst. Konvektive Wärmeübertragungsbedingungen können direkt im Strömungsfeld genutzt werden, ohne dass Randbedingungen für das Wärmefeld festgelegt werden müssen. Zu den Import- und Exportrandbedingungen gehören Temperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftdruck. Stellen Sie die Einlasstemperatur auf eine Umgebungstemperatur von 20 °C und den Auslassdruck auf 0 ein. Der Luftdurchsatz ist einer der Hauptfaktoren, die die Wärmeableitung der Batteriekammer beeinflussen. In diesem Artikel werden die Auswirkungen natürlicher Belüftung und Zwangsbelüftung auf die thermischen Eigenschaften von Batterien untersucht. Aufgrund des geringen Temperaturunterschieds zwischen der Kammer und der Außenseite und des geringen Wärmeaustauschs mit der Außenseite wird die Wandrandbedingung als adiabatische Grenze mit konstanter Temperatur festgelegt.

1.2 Analyse der thermischen Eigenschaften eines Lithium-Eisenphosphat-Akkus

1) Unter der Bedingung einer Konstantstromentladung mit einer Geschwindigkeit von 1 °C und einer Umgebungstemperatur von 20 °C beträgt die maximale Temperatur des Akkus 32 °C, die minimale Temperatur 26 °C und der Temperaturunterschied 6 °C. Die niedrigste Temperatur entsteht am Rand des Akkupacks. Diese Orte sind im Allgemeinen gut belüftet, was eine ausreichende konvektive Wärmeübertragung ermöglicht; Die höchste Temperatur entsteht an der Kernposition innerhalb der einzelnen Batterie. Aufgrund der fehlenden direkten Verbindung zur Außenwelt kann die Wärmeleitung nur über das Polymer und den Elektrolyten im Inneren der Batterie erfolgen, was leicht zu einem Temperaturstau führen kann. Daher ist die Temperatur an der Kernposition etwas höher als an der Randposition

2) Beim Entladen mit einer konstanten Stromrate von 2 °C und einer Umgebungstemperatur von 20 °C beträgt die maximale Temperatur des Akkus 43 °C, die minimale Temperatur 31 °C und die Temperaturdifferenz 12 °C. Die niedrigste Temperatur tritt am Rand des Akkupacks auf, während die höchste Temperatur im inneren Kern des einzelnen Akkus auftritt. Weil der Gesamttemperaturunterschied im Akkupack den vorgesehenen Standardtemperaturunterschied (10 ℃) übersteigt. Wenn die 2-C-Entladung über einen längeren Zeitraum zum Starten, Steigen, Beschleunigen usw. verwendet wird, beeinträchtigt dies die Lebensdauer der Batterie.

2 Wärmeprüfung

Mit dem Temperaturfeldexperiment von Lithium-Eisenphosphat-Batterien für Elektrofahrzeuge kann der Temperaturunterschied an typischen Stellen des Batteriepakets gemessen werden. Wir können nicht nur die tatsächliche Temperaturverteilung und den Temperaturanstieg von Lithium-Eisenphosphat-Batterien verstehen. Gleichzeitig kann die Genauigkeit der Simulationsberechnungsergebnisse auch anhand experimenteller Daten überprüft werden. Bieten Sie eine zuverlässige Grundlage für das Wärmemanagement-Design von Batteriepacks.

Um die tatsächliche Oberflächentemperatur des Akkupacks in der Akkukammer bei verschiedenen Entladeraten genau zu messen. Der Kopf des Temperatursensors muss fest an der Seitenfläche des Akkupacks anliegen. Um Temperaturmessfehler so weit wie möglich zu minimieren, ohne den Luftstrom im Batteriefach zu beeinträchtigen.

Platzieren Sie einen Temperatursensor am Mittelpunkt A an der Seite des Akkupacks. Platzieren Sie einen Temperatursensor an Kante B an der Seite des Akkupacks. Führen Sie Entladungstests mit einer Entladungsrate von 1 C bzw. 2 C durch. Um die Genauigkeit des Experiments sicherzustellen, wurden 5 Tests mit unterschiedlichen Entladungsraten durchgeführt und für die 5 Tests wurde jeweils die durchschnittliche höchste Temperatur gemessen.

Durch den Vergleich und die Analyse der Versuchs- und Simulationsergebnisse kann festgestellt werden, dass der Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den Versuchsergebnissen innerhalb von 8 % liegt, was darauf hinweist, dass das in diesem Artikel festgelegte Simulationsmodell für Lithiumbatterien genau und praktisch ist und verwendet werden kann um das Wärmemanagement von Akkupacks zu verbessern

3 Verbesserung des Thermomanagements

Elektrofahrzeuge erfordern beim Beschleunigen, Bergauffahren und anderen Arbeitsbedingungen eine Hochstromentladung der Batterie. Zu diesem Zeitpunkt steigt der Strom im Akkupack exponentiell an und auch das Temperaturfeld im Akkupack ändert sich erheblich. Daher ist es notwendig, die Wärmeableitung des vorhandenen Akkupacks zu verbessern.

Das Wärmemanagementsystem, das Luft als Medium verwendet, weist im Vergleich zu dem Wärmemanagementsystem, das Flüssigkeit als Medium verwendet, einen einfachen Aufbau, niedrige Kosten und einen einfacheren Herstellungsprozess auf. Darüber hinaus können aus verschiedenen Gründen entstehende schädliche Gase rechtzeitig abgeführt werden, was zu einer besseren Sicherheit führt. Daher wird in diesem Artikel eine Zwangsbelüftung eingesetzt, um die Wärme im System abzuleiten. Um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten, ist die Geschwindigkeit am Lufteintritt des Kühlsystems auf 30 m/s eingestellt. Durch ANSYS-Simulationsberechnung wird die Temperaturfeldverteilung des verbesserten Batteriepakets ermittelt.

Durch die Verbesserung des Wärmemanagements des Akkupacks wurden der Temperaturunterschied und die maximale Temperatur während der Entladung bei unterschiedlichen Entladeraten reduziert. Und alle liegen im zulässigen Rahmen. Wenn der Akku mit einer Geschwindigkeit von 1 °C entladen wird, sinkt die maximale Temperatur des Akkus um 1 °C, ohne dass sich der Temperaturunterschied ändert.

Wenn der Akku mit einer Geschwindigkeit von 2 °C entladen wird, sinkt die maximale Temperatur des Akkus um 8 °C und die Temperaturdifferenz sinkt auf 8.5 °C;

Wenn der Akku mit einer Geschwindigkeit von 3 °C entladen wird, sinkt die maximale Temperatur des Akkus auf den zulässigen Bereich und auch die Temperaturdifferenz sinkt auf den zulässigen Bereich.

Im Vergleich lässt sich erkennen, dass die maximale Temperatur und der Temperaturunterschied des verbesserten Akkupacks im zulässigen Bereich liegen. Der Verbesserungsplan ist machbar und effektiv.

4 Fazit

In diesem Artikel wird ein bestimmter Typ eines Lithium-Eisenphosphat-Batteriesatzes für Elektrofahrzeuge als Forschungsobjekt verwendet, sein Simulationsmodell mithilfe der ANSYS-Software erstellt und eine Simulationsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die höchste Entladetemperatur des Akkus bei einer Temperatur von 2 °C 43 °C betrug, mit einem Temperaturunterschied von 12 °C, was über dem zulässigen Temperaturunterschied von 10 °C lag.

Langfristiger Gebrauch kann die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen. Die Wärmemanagementmethode des Batteriepakets wurde verbessert und die maximale Temperatur und Temperaturdifferenz des Batteriepakets während der Entladung bei 2 °C und 3 °C-Vergrößerung wurden reduziert, um den Wärmeableitungsanforderungen des Batteriepakets beim Starten von Elektrofahrzeugen gerecht zu werden. Klettern und Beschleunigung.