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Zylindrische Lithium-Ionen-Batterie Thermische Prüfung

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Zylindrische Lithium-Ionen-Batterie Thermische Prüfung

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1 Zylindrische Lithium-Ionen-Batterie
Lithium-Ionen-Batterien gibt es in verschiedenen Spezifikationen und Außenabmessungen, so dass die Messung der thermischen Leistungsparameter von Lithium-Batterien mehrere Prüfmethoden und -geräte erfordert. Wir haben uns zunächst für die Untersuchung der thermischen Leistung zylindrischer Lithium-Ionen-Batterien entschieden, insbesondere für die radiale Wärmeleitfähigkeitsprüftechnik für zylindrische Lithium-Ionen-Batterien, und zwar hauptsächlich aus folgenden Gründen



(1) Zylindrische Lithium-Ionen-Batterien gehören derzeit zu den am weitesten verbreiteten Batterietypen und haben ein breites Spektrum an Anwendungen. Die radiale Wärmeleitfähigkeitsprüftechnik für zylindrische Lithium-Ionen-Batterien ist jedoch noch nicht ausgereift und steckt sowohl im Inland als auch international noch in den Kinderschuhen. Die verschiedenen gemeldeten Prüfmethoden weisen erhebliche Fehler auf und können den Anforderungen der thermischen Modellierung und des Managements von Batterien nicht gerecht werden.



(2) Die zylindrische Struktur von Lithiumbatterien ist sehr speziell, insbesondere mit nur einer Umfangsfläche in radialer Richtung. Wenn man thermische Leistungstests durchführt, ohne die Batterie zu beschädigen, kann nur eine äußere Umfangsfläche verwendet werden, um entsprechende Testrandbedingungen zu erzeugen. Dies ist oft der schwierigste Test in der Technologie der Prüfung thermischer Leistungsparameter. Wenn die Prüfung der thermischen Leistungsparameter in radialer Richtung von zylindrischen Batterien mit zufriedenstellender Messgenauigkeit durchgeführt werden kann, lässt sich die Prüftechnik leicht weiterentwickeln und auf prismatische und Beutel-Batterien anwenden.



(3) Die Eigenerwärmung von zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien ist in der Regel am geringsten und niedriger als die von prismatischen und Pouch-Batterien. Wenn die untersuchte Prüfmethode eine zufriedenstellende Messgenauigkeit bei zylindrischen Lithiumbatterien mit geringer Erwärmung erzielen kann, kann sie auch eine höhere Messgenauigkeit bei Messungen mit hoher Erwärmung von prismatischen und Pouch-Batterien erreichen.



(4) Darüber hinaus können durch die Erforschung der radialen Wärmeleitfähigkeitsprüftechnologie für zylindrische Lithium-Ionen-Batterien Anstrengungen unternommen werden, um Multifunktionalität, Modularität, Schnelligkeit und niedrige Kosten von Prüfgeräten für die thermische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen.



Dieser Artikel konzentriert sich speziell auf die radiale Wärmeleitfähigkeit von zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien und untersucht die Prüfmethoden. Es werden entsprechende Prüfmodelle mit konstanter Temperatur unter den Randbedingungen von zerstörungsfreien Batterien und nur der Außenfläche des Batterieumfangs erstellt und die Genauigkeit des Prüfmodells und der erklärenden Ausdrücke durch Finite-Elemente-Simulationen verifiziert. Es wird erwartet, dass das Projekt eine wirksame Anleitung für die Entwicklung von Prüfgeräten bietet.



2 Analytisches Modell für die thermische Prüfung
Entsprechend der inneren Struktur und der Wärmeübertragungsrichtung zylindrischer Lithiumbatterien ist der radiale Wärmeübertragungsmodus zylindrischer Lithiumbatterien ein typischer radialer Umfangsstreuungsmodus. Daher werden zylindrische Koordinaten zur Beschreibung des Prüfmodells von zylindrischen Batterien verwendet, während andere Formen von Prüfmodellen den Wärmeübertragungsmodus von zylindrischen Batterien nicht genau beschreiben können. Für eine zylindrische Lithiumbatterie mit einem Radius von R und einer Höhe von H können die Randbedingungen für die radiale Wärmeleitfähigkeitsprüfung nur an der Außenfläche des Umfangs bei r=R auftreten.



Wenn wir davon ausgehen, dass die obere und untere Endfläche einer zylindrischen Batterie adiabatische Oberflächen sind, dann unterscheiden sich die Randbedingungen auf der Außenfläche der Batterie nicht von den drei Arten von Randbedingungen bei der Wärmeübertragung, nämlich konstante Temperatur, lineare Erwärmung und wechselnde Temperatur. Aufgrund der relativ großen Größe der getesteten Batterie und der Schwierigkeit, die dritte Art von Randbedingungen, die Wechseltemperatur, zu implementieren und zu analysieren, die sehr komplex ist, haben wir nur entsprechende Testmethoden für die erste und zweite Art von Randbedingungen, konstante Temperatur und lineare Erwärmung, untersucht.



Die Wärme fließt nur radial, und die Temperaturverteilung ist eindimensional im Raum. Der Wärmestrom ist ebenfalls eindimensional, und es wird angenommen, dass der radiale Wärmeübergangskoeffizient innerhalb eines kleinen Temperaturbereichs gleichmäßig und temperaturunabhängig ist.



2.1. Prüfung mit konstanter Temperatur
Die erste Art von Randbedingung ist eine konstante Oberflächentemperatur, d. h. eine Batterie mit einer Anfangstemperatur von T0 wird während des Prüfvorgangs plötzlich in eine Umgebung mit einer Temperatur von Ts gebracht, und diese Umgebungstemperatur muss höher sein als die Anfangstemperatur T0 und konstant bleiben. Infolgedessen wird die Wärme radial durch die Batterie übertragen, und die beiden Enden der Batterie befinden sich in einem adiabatischen Zustand.



2.2 Test des linearen Temperaturanstiegs
Die zweite Art von Randbedingung ist ein linearer Anstieg der Oberflächentemperatur, was bedeutet, dass während des Prüfverfahrens eine konstante Wärmemenge auf die äußere Oberfläche der Batterie aufgebracht wird, um sie zu erwärmen, und es wird angenommen, dass die konstante Wärme während des gesamten Erwärmungsprozesses nicht verloren geht. Aufgrund der achsensymmetrischen Struktur zylindrischer Batterien führt die Erwärmung der Seiten um die Batterie herum zu einem adiabatischen Zustand entlang der Achse der Batterie.



3 Schlussfolgerung
Die radiale Wärmeleitfähigkeitsprüftechnik für zylindrische Lithium-Ionen-Batterien wurde speziell erforscht, und es wurde eine einfache und leicht zu bedienende Prüfmethode entwickelt. Die Prüfmethode wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation validiert, und die folgenden Schlussfolgerungen wurden aus der gesamten Forschungsarbeit gezogen:



(1) Für die radiale Wärmeleitfähigkeit von zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien wurden ein Prüfmodell mit konstanter Temperatur und eine entsprechende Prüfmethode entwickelt. Die Finite-Elemente-Simulation hat bewiesen, dass diese Prüfmethode eine hohe Messgenauigkeit aufweist und in der praktischen Prüfung vollständig angewendet werden kann, was für die Prüfung der thermischen Leistung von Lithium-Ionen-Batterien von großer Bedeutung ist.



(2) Mit der etablierten Prüfmethode können die Werte für die radiale Wärmeleitfähigkeit, die radiale Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität durch einen einzigen Erwärmungstest ermittelt werden. Es ist auch möglich, die thermischen Leistungsparameter über einen breiten Temperaturbereich als Funktion der Temperatur zu messen und sogar die thermische Leistung während des gesamten Phasenübergangsprozesses zu messen.



(3) Die etablierte isotherme Prüfmethode hat im Grunde die Funktion des üblicherweise verwendeten beschleunigten adiabatischen Kalorimeters übernommen und kann das beschleunigte adiabatische Kalorimeter zur Erkennung des thermischen Durchgehens von Batterien ersetzen und ergänzen.



(4) Die etablierte Testmethode ist einfach und leicht zu implementieren, mit bequemen experimentellen Operationen, so dass es sehr geeignet für die Belastung anderer Variablen in der Batterie Leistung Bewertung, wie thermische Leistung Prüfung während der Batterie Lade-und Entladevorgänge.



(5) Der Durchbruch bei der radialen Wärmeleitfähigkeits-Prüfmethode für zylindrische Lithiumbatterien kann auf die thermische Leistungsprüfung anderer Spezifikationen von Lithium-Ionen-Batterien ausgeweitet werden, indem sowohl konstante Temperatur- als auch konstante Stromprüfmethoden verwendet werden. Zur Prüfung der thermischen Leistung von Lithiumbatterien können verschiedene Belastungsbedingungen und -richtungen verwendet werden.



(6) Das Prinzip der untersuchten Konstanttemperatur-Prüfmethode ist einfach, und die Randbedingungen sind leicht zu implementieren, was der Instrumentierung und Modularisierung sowie der Integration mit anderen Prüfgeräten sehr förderlich ist.