Abstrakt
Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt maßgeblich von der Betriebstemperatur der Batterie ab. Die erhaltenen Temperaturdaten werden jedoch normalerweise durch Thermoelemente gemessen, die an der Oberfläche der Batterie angebracht sind, was insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen und hohen Entladeraten möglicherweise nicht genau die tatsächliche Temperatur im Inneren der Batterie widerspiegelt. In diesem Artikel wird eine innovative Methode vorgestellt, die Differenzspannungstechnologie nutzt, um die Innentemperatur einer 40-Ah-Lithium-Ionen-Softpack-Batterie vorherzusagen. Der Unterschied zwischen internen und externen Temperaturmessungen hängt von der Entladungsrate und der Umgebungstemperatur ab. Beim kontinuierlichen Entladungsprozess steigt die Differenz zwischen der Oberflächen- und der gemessenen Temperatur in der frühen Phase der Entladung, erreicht ihren Höhepunkt in der mittleren Phase und nimmt dann in der späten Phase der Entladung ab. Die Ergebnisse dieser Studie können Steuerungsstrategien in Batteriemanagementsystemen (BMS) aktiv unterstützen.
1. Einführung
Angesichts der zunehmenden Aufmerksamkeit für Umweltthemen und der Verpflichtung der Regierungen, Emissionen zu reduzieren, werden Elektrofahrzeuge (EVs) zunehmend als mögliche Lösung bewertet. Einer der Schlüsselfaktoren für ihren Erfolg ist das eingesetzte Energiespeichersystem (ESS). Das ideale ESS sollte eine hohe Energie- und Leistungsdichte sowie eine hervorragende Lebensdauer aufweisen und unter verschiedenen Betriebsbedingungen wie Fahrzyklen, Temperatur usw. zuverlässig sein. In der kommerziellen Batterietechnologie sind Lithium-Ionen-Batterien zur bevorzugten Wahl für reine Elektrofahrzeuge (BEVs) geworden ) aufgrund ihrer höchsten Volumen- und Gewichtsenergie-/Leistungsdichte.
BEVs auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien werden ihre Reichweite und Leistungsleistung bei niedrigen Temperaturen und hohen C-Raten deutlich reduzieren. Zu den Gründen für Leistungseinbußen zählen eine verringerte Leitfähigkeit des Elektrolyten, eine verringerte Lithiumdiffusion im Festkörper, eine hohe Polarisation von Graphitanoden und eine langsame Ladungsübertragungskinetik. Bei der Untersuchung von 2,2 Ah 18650 Lithium-Ionen-Batterien hängt die elektrochemische Leistung der Batterie stark von ihrer Betriebstemperatur ab. Allerdings wird die Betriebstemperatur von Batterien normalerweise durch Thermoelemente gemessen, die an der Oberfläche der Batterie angebracht sind, was die elektrochemischen Prozesse im Inneren der Batterie möglicherweise nicht genau widerspiegelt. Die Messung der Differenzspannung (DV) wird verwendet, um auf die stöchiometrische Ausrichtung der Elektroden bei oder nahe dem Gleichgewicht zu schließen und so einen Kapazitätsabfall zu erkennen. Um Ladungsübertragungsphänomene zu vermeiden, sollten hohe Ströme vermieden werden. DV stellt die Spannungsschwankung pro Entladekapazitätseinheit (dV/dQ) dar, die den kumulativen Einfluss der Betriebsbedingungen (Umgebungstemperatur, C-Rate, SOC, Impedanz und Selbsterwärmung) auf die Batterie widerspiegelt.
Ziel dieses Artikels ist es, mithilfe der DV-Technologie den „effektiven Widerstand“ von Batterien bei unterschiedlichen kontinuierlichen Entladeströmen und Umgebungstemperaturen im Bereich von -20 bis 25 °C vorherzusagen und anschließend ihre Innentemperatur vorherzusagen. Die Abweichung zwischen der internen und der gemessenen Batterieoberflächentemperatur steht in direktem Zusammenhang mit dem Entladestrom und nimmt mit abnehmender Umgebungstemperatur ab. Diese Vorhersagen können dazu beitragen, die Genauigkeit der Batterietemperaturschätzung zu verbessern und Steuerungsstrategien innerhalb von Batteriemanagementsystemen (BMS) zu verbessern.
2. Forschungsmethoden
A. Experimentelle Details
Um das Batterieverhalten zu untersuchen, wurde eine Lithium-Ionen-Softpack-Batterie mit einem Gewicht von 0,97 Kilogramm und einer positiven NMC-Elektrode getestet. Die Batterie hat eine Nennspannung von 3,7 Volt und eine Kapazität von 40 Amperestunden. In der geometrischen Mitte der Hauptoberfläche der Softpack-Batterie ist ein K-Typ-Thermoelement installiert. Die Batterie wird in die heiße Votsch-Zelle gelegt und mit einem Bitrode-Batteriecycler Lade- und Entladezyklen unterzogen. Der Test wurde bei vier verschiedenen Umgebungstemperaturen durchgeführt: -20 Grad C, -10 Grad C, 0 Grad C und 25 Grad C. Der Ladevorgang erfolgt nur bei 25 Grad C mit einer Rate von 0,5C (20 Ampere), bis die Spannung 4,2 Volt erreicht. Der Ladestrom sinkt dann auf 0.05C, während eine Spannung von 4,2 Volt aufrechterhalten wird. Die verwendeten Entladeströme umfassen 0,1 C, 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 2 C, 5 C und 8 C. Zu den direkt gemessenen Parametern gehören die Batteriespannung (V), die Kapazität (Ah), die Leistung (W), die Entladeenergie (Wh) und die (gemessene) Temperatur der Batterieoberfläche (Grad C). Die Abschaltspannung dieser Batterie beträgt 2,7 Volt.
B. Um die „Innentemperatur“ aus Messparametern mittels Differenzspannungstechnik zu berechnen, haben wir zur Innentemperaturvorhersage folgende Schritte unternommen (siehe Abbildung 1):
1. Berechnung der Spannungsänderung:Berechnen Sie die Spannungsänderung (∆ V) bei jedem Zeitschritt.
2. Berechnung des effektiven Widerstands:Der „effektive Widerstand“ R ist eine lineare Funktion von DV, die man durch Division von ∆ V durch den Entladestrom erhält.
Abbildung 1. Einfaches Wärmeerzeugungsmodell
3. Berechnung der Wärmeerzeugung:Berechnen Sie die bei jedem Zeitschritt erzeugte Wärme Qgen=∆ V ²/R.
4. Berechnung der Wärmeleitung:Die Berechnung der Wärmeleitung vom Batteriekern zur Oberfläche lautet Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), wobei k die planare Wärmeleitfähigkeit der Batterie ist, A die Oberfläche ist, und L ist der Abstand zwischen dem Batteriekern und der Oberfläche.
5. Berechnung der konvektiven Wärmeübertragung:Die Berechnung der konvektiven Wärmeübertragung auf der Oberfläche der Batterie lautet Qconv=(h × A × (T-Tamb)), wobei h der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient und Tamb die Umgebungstemperatur ist.
6. Berechnung der Temperaturänderung:Berechnen Sie die Temperaturänderung ∆ T jede Sekunde als (QGen Qcond QConv)/(m × C). Hier ist t der Zeitschritt (in Sekunden), m ist 0,97 Kilogramm und C ist die Wärmekapazität. Angenommen, Qbond ist bei t=0 Sekunden Null, dann verwenden Sie Qbond aus dem vorherigen Zeitschritt.
7. Berechnung der Innentemperatur:Berechnen Sie die Innentemperatur, indem Sie ∆ T in jedem Zeitschritt integrieren.
Diese Methode bietet einen neuen Ansatz zur genauen Vorhersage der Innentemperatur von Batterien durch umfassende Berücksichtigung ihrer elektrochemischen Leistung und thermischen Eigenschaften, was für die Optimierung von Batteriemanagementsystemen (BMS) und die Verbesserung der Batterieleistung von großer Bedeutung ist.
Tabelle 1. Batterieparameter von Lithium-Ionen-Pouch-Batterien
| Parameter | Wert |
| Wärmeleitfähigkeit, k | 0.48 W/m/Grad |
| Oberfläche, A | 0.10125 m² |
| Zelldicke, L | 0.0009 m |
| Wärmekapazität, C | 1243 J/Grad/kg |
| Konvektiver Koeffizient, h | 10W/m²/Grad |
3. Ergebnisse und Diskussion
A. Der Einfluss von C-Rate und Umgebungstemperatur auf die Entladekapazität und Entladeenergie
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die von der Batterie abgegebene Energie mit zunehmender C-Rate und sinkender Umgebungstemperatur abnimmt. Dies liegt daran, dass die Erhöhung der Batterieimpedanz zu einem schnelleren Abfall der Batteriespannung führt, einschließlich einer Verringerung der Ionenleitfähigkeit, einer Erhöhung des Elektrolytwiderstands, einer höheren anodischen Polarisation, einer langsameren Ladungsübertragung und einer unzureichenden Lithium-Festphasendiffusion.
Abbildung 2. Spannungsentwicklung mit Entladeenergie bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und c-Raten
Beim Entladen bei 5 °C und -10 °C steigt die Spannung während des Entladezyklus über einen beträchtlichen Zeitraum an. Dies liegt daran, dass die Selbsterwärmung zu einem Anstieg der Batterietemperatur führt, was zu einer Verringerung des Elektrolytwiderstands aufgrund einer Erhöhung der Ionenleitfähigkeit und der Salzdiffusionsrate führt, wodurch die Entladeenergie höher wird als bei einer isothermen Entladung. Bei -10 Grad C ist die Entladekapazität von 5C 3,6 % höher als die von 1C, aber die Entladeenergie ist 2,9 % niedriger; Bei 0 Grad C ist die Entladekapazität von 5 °C um 1 % höher als die von 1 °C und die Entladeenergie ist um 5,3 % niedriger, was darauf hindeutet, dass die durch die Selbsterwärmung erzielten Kapazitätsvorteile möglicherweise überschätzt werden, und der Großteil der erhöhten Kapazität ist es auch Wird zur Batterieheizung verwendet.
Abbildung 3. Spannungsentwicklung von Batterien mit Entladekapazität bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und C-Raten
B. Der Einfluss von C-Rate und Umgebungstemperatur auf die Vorhersage der Innentemperatur mithilfe der Differenzspannung
Abbildung 4. Effektiver Widerstand und Entladungsenergie bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und C-Raten
Der effektive Widerstand nimmt im Allgemeinen mit sinkender Umgebungstemperatur und steigender C-Rate zu, was bedeutet, dass sich die Spannung irgendwann im Entladezyklus mit der Energiefreisetzung stärker ändert. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen, insbesondere bei hohen C-Raten, ist der effektive Widerstand aufgrund der geringen Ionenleitfähigkeit, der langsamen Ladungsübertragung, des hohen Elektrolytwiderstands und der langsamen Festkörperdiffusion höher. Dies steht im Einklang mit früheren Studien, die zeigten, dass der Gleichstromwiderstand mit sinkender Umgebungstemperatur und steigenden C-Raten zunimmt und der effektive Widerstand am Ende der Entladung zunimmt. Obwohl der Selbsterwärmungsgrad der 5C-Entladung bei -10 Grad C hoch ist, ist ihr effektiver Widerstand immer noch am höchsten, möglicherweise aufgrund der kurzen Entladungszeit.
Abbildung 5. Vergleich der Innentemperatur (I) und der gemessenen Temperatur (M) bei unterschiedlichen C-Raten und einer Umgebungstemperatur von 25 Grad
Abbildung 6. Vergleich der Innentemperatur (I) und der gemessenen Temperatur (M) bei unterschiedlichen C-Raten und einer Umgebungstemperatur von 0 Grad
Während der Entladung steigen sowohl die gemessene Temperatur als auch die Innentemperatur an, wobei bei hoher C-Rate und niedriger Umgebungstemperatur ein höherer Temperaturanstieg und ein stärkerer Anstieg der Innentemperatur zu verzeichnen sind. In Übereinstimmung mit anderen Studien ist die maximale Differenz zwischen Innen- und gemessener Temperatur während des Entladezyklus (∆ T) proportional zur entsprechenden C-Rate, und die Differenz nimmt zu, wenn die Umgebungstemperatur sinkt. Der ∆T-Wert unter verschiedenen Betriebsbedingungen in diesem Artikel ist etwas höher als in der Studie, die nur Oberflächentemperaturgradienten untersucht, stimmt jedoch besser mit der Studie überein, in der Innen- und Oberflächentemperaturen verglichen werden, was darauf hinweist, dass die geschätzte Innentemperatur in diesem Artikel den Gesamtdurchschnitt darstellt Temperatur der Batterie, und die gemessene Temperatur stammt aus den Messwerten von Oberflächensensoren/Thermoelementen. Der Unterschied zwischen der Innentemperatur der Batterie und der gemessenen Temperatur nimmt im Allgemeinen mit der Entladung zu, erreicht in der Mitte der Entladung einen Höhepunkt und nimmt dann ab. Die Größe des Unterschieds nimmt mit zunehmender C-Rate und Umgebungstemperatur zu.
Abbildung 7. Vergleich der Innentemperatur (I) und der gemessenen Temperatur (M) bei unterschiedlichen C-Raten und einer Umgebungstemperatur von 25 Grad.
Abbildung 8. Entwicklung der Innentemperatur und der gemessenen Batterietemperaturdifferenz bei jeder 30-Wh-Entladung
4. Zusammenfassung
Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen werden die Kapazitätsvorteile der Selbsterwärmung möglicherweise überschätzt und führen möglicherweise nicht zu einer Erhöhung der verfügbaren Energie für die Batterie.
Einschränkungen des Selbsterwärmungseffekts:In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann der Selbsterwärmungseffekt von Batterien zwar die Entladekapazität erhöhen, dies bedeutet jedoch nicht immer, dass die von der Batterie abgegebene Energie zunimmt. Dies liegt daran, dass die erhöhte Kapazität hauptsächlich zum Heizen der Batterie und nicht für die Verrichtung von Arbeit oder die Bereitstellung von mehr elektrischer Energie verwendet werden kann.
Der effektive Widerstand einer Batterie ist bei höheren Entladeströmen und niedrigeren Umgebungstemperaturen größer.
Der Zusammenhang zwischen effektivem Widerstand und Betriebsbedingungen:Der effektive Widerstand ist unter bestimmten Betriebsbedingungen ein wichtiger Parameter einer Batterie, der mit zunehmendem Entladestrom und sinkender Umgebungstemperatur zunimmt. Dies weist darauf hin, dass die Ionenleitung und Ladungsübertragung innerhalb der Batterie bei hoher Stromentladung und niedrigen Temperaturen stärker behindert werden.
Der Unterschied zwischen der Innentemperatur der Batterie und der gemessenen Oberflächentemperatur der Batterie nimmt mit zunehmendem Entladestrom und sinkender Umgebungstemperatur zu.
Der Zusammenhang zwischen Temperaturunterschied und Betriebsbedingungen:Der Unterschied zwischen Innen- und Oberflächentemperatur (∆ T) steht in direktem Zusammenhang mit dem Entladestrom und der Umgebungstemperatur. Dies bedeutet, dass bei Hochstromentladungen und Umgebungen mit niedrigen Temperaturen die Temperatur im Inneren der Batterie viel höher sein kann als die Oberflächentemperatur, was für das Wärmemanagement und die Leistungsoptimierung der Batterie von entscheidender Bedeutung ist.
Während des Entladezyklus steigt der Unterschied zwischen der Innentemperatur der Batterie und der gemessenen Oberflächentemperatur der Batterie in den frühen Phasen der Entladung an, erreicht in den mittleren Phasen ihren Höhepunkt und nimmt dann in den späten Phasen der Entladung ab.
Dynamische Änderungen der Temperaturunterschiede:Der Trend der Temperaturunterschiede zwischen dem Inneren und der Oberfläche einer Batterie während der Entladung spiegelt die Komplexität der internen thermischen Dynamik der Batterie wider. Dieser Unterschied nimmt in den frühen Stadien der Entladung zu, was möglicherweise auf den schnellen Anstieg der intern erzeugten Wärme zurückzuführen ist, wenn die Batterie mit der Entladung beginnt. Der Spitzenwert während der Mitte der Entladung kann auf die höchste Innentemperatur der Batterie zurückzuführen sein, während ein Rückgang gegen Ende der Entladung auf eine Abnahme der in der Batterie erzeugten Wärme und das Einsetzen der Abkühlung zurückzuführen sein kann.
Diese Beobachtungen sind für den Entwurf und die Optimierung von Batteriemanagementsystemen (BMS) von entscheidender Bedeutung, da sie wertvolle Informationen über das Verhalten von Batterien unter verschiedenen Betriebsbedingungen liefern. Durch das Verständnis und die Vorhersage dieser Phänomene ist es möglich, die Temperatur der Batterie effektiver zu steuern und so ihre Leistung und Lebensdauer zu verbessern.