Cydbwyso Perfformiad a Diogelwch: Dadansoddiad Cynhwysfawr o Nodweddion Thermol Rhyddhau Arwystl o Becyn Batri Ion Lithiwm 48V

Mae'r erthygl hon yn defnyddio 25 thermocouples i astudio'n arbrofol ddosbarthiad tymheredd ac ymddygiad pecyn batri lithiwm-ion (Li ion) 48V yn ystod dau gylch rhyddhau gwefr. Mae'r canlyniadau'n dangos bod trosglwyddiad gwres darfudol gwell yn digwydd ar wyneb allanol y pecyn, tra bod y batri canol yn cyrraedd ei dymheredd uchaf. Gwelwyd gwahaniaethau hefyd yn ymddygiad y tri modiwl. Mae'r cylch rhyddhau yn dangos cynnydd tymheredd o 5.8 gradd C, ac mae graddiant tymheredd y pecyn batri yn cynyddu o 1.3 gradd C i 2.7 gradd C. Mae'r astudiaeth hon yn pwysleisio pwysigrwydd gwerthuso ymddygiad thermol pob modiwl a chymhlethdod lithiwm-ion systemau pecyn batri. Yn yr un astudiaeth, gall darganfyddiadau am fatris, modiwlau a phecynnau batri ddarparu mewnwelediadau gwerthfawr ar gyfer dylunio systemau oeri effeithlon ar gyfer pecynnau batri lithiwm-ion.

1. Rhagymadrodd

Batris ïon lithiwm:Mae batris lithiwm-ion y gellir eu hailwefru yn cael eu hystyried yn ddyfeisiau storio ynni addas ar gyfer cerbydau hybrid ysgafn oherwydd eu dwysedd ynni uchel, pŵer penodol, ysgafn, cyfradd hunan-ollwng isel, ailgylchadwyedd uchel, a hyd oes hir. Yn ystod y 13 mlynedd diwethaf, mae pris pecynnau batri lithiwm-ion wedi gostwng yn sylweddol. Fodd bynnag, tymheredd uchel a dosbarthiad tymheredd anwastad yw prif broblemau batris lithiwm-ion, ac mae tymheredd yn chwarae rhan bwysig yn eu cylch bywyd a'u gallu i ynni.

Diffygion ymchwil blaenorol:Roedd astudiaethau blaenorol ar ymddygiad thermol batris lithiwm-ion mewn cerbydau hybrid ysgafn yn canolbwyntio'n bennaf ar fatris unigol neu becynnau batri, heb ddadansoddiad manwl o effaith paramedrau allanol (megis presenoldeb batris eraill) ar ymddygiad thermol batri. Yn ogystal, mae cwmpas yr ymchwil ar ymddygiad thermol pecynnau batri lithiwm-ion 48V yn gyfyngedig, ac mae diffyg astudiaethau arbrofol ar ddosbarthiad tymheredd manwl y pecyn batri cyfan.

Pwrpas yr astudiaeth hon:yw ymchwilio'n arbrofol i ymddygiad thermol pecyn batri lithiwm-ion 48V trwy ddau gylch rhyddhau tâl cyflawn. Gan ddefnyddio 25 thermocouples i fesur mewn gwahanol leoliadau o fewn y pecyn batri, rydym yn gobeithio darparu mewnwelediad gwerthfawr i gynhyrchu gwres y pecyn batri a helpu i ddewis y system oeri batri priodol.

2. Penderfyniad Arbrofol

Paramedrau batri ïon lithiwm:Mae batris ïon lithiwm fel arfer yn cynnwys anod, catod, electrolyte, a chasglwr cerrynt. Defnyddir batris silindrog, prismatig a siâp cwdyn yn y diwydiant modurol, a gall dyluniadau prismatig wella'r defnydd o ofod a hyblygrwydd. Defnyddiodd yr astudiaeth hon fatri lithiwm-ion prismatig NCM gyda chynhwysedd enwol o 8.23Ah. Mae'r pecyn batri yn cynnwys 36 batris wedi'u cysylltu mewn cyfluniad 12s3p, sydd â manteision gosodiad hawdd, modiwlaidd, diogelwch a chrynoder, effaith fach iawn ar bwysau cerbyd, a chost-effeithiolrwydd uchel.

Cynllun arbrofol:Mae'r ddyfais profi arbrofol yn cynnwys pecyn batri, efelychydd batri AVL cyfredol foltedd uchel uchel a reolir gan y system AVL PUMA, synhwyrydd tymheredd math K gyda dau fodiwl caffael data (ES620 ETAS), ac uned gyfrifiadurol ar gyfer monitro a storio data. Defnyddiwch 25 thermocouples i fonitro tymheredd y batri, gyda phwyntiau mesur wedi'u lleoli yn nhri modiwl y pecyn batri. Mae thermocyplau yn helpu i ganfod newidiadau tymheredd rhwng terfynellau positif a negyddol yr un batri.

Cylchoedd gwefru a rhyddhau:Cynhaliwyd dau brawf cylch gwefru a rhyddhau cyflawn gyda thymheredd cychwynnol a chyflwr tâl (SoC) o 26 gradd C a 47%, yn y drefn honno. Yr uchafswm a'r lleiafswm cerrynt oedd 237A a -237A, yn y drefn honno. Cyrhaeddodd y SoC ddwywaith y gwerthoedd uchaf ac isaf, hy 91% a 10%, a daeth y prawf i ben pan gyrhaeddodd y SoC y gwerth cychwynnol. Er mwyn osgoi methiant thermol y pecyn batri ar dymheredd uchel, terfynwyd y prawf pan gyrhaeddodd y tymheredd 40 gradd C. Yn yr astudiaeth hon, cyrhaeddwyd y terfyn tymheredd ar ddiwedd yr ail gylchred.

Cefndir damcaniaethol:Mae effaith tymheredd batris yn gysylltiedig â deunyddiau mewnol ac adweithiau cemegol. Mae cynhyrchu thermol batris lithiwm-ion ar dymheredd arferol yn gysylltiedig â throsglwyddo tâl ac adweithiau cemegol yn ystod prosesau codi tâl a gollwng. Mae cynhyrchu thermol yn cynnwys prosesau cildroadwy (gwres entropi) a phrosesau anwrthdroadwy. Yn ôl deddfau thermodynameg, gall ymddygiad dros dro gwres a gynhyrchir y tu mewn i fatri arwain at newidiadau tymheredd gwahanol. Er mwyn astudio ymddygiad thermol batris lithiwm-ion a phecynnau batri, diffiniwyd confensiwn enwi a pharamedrau cysylltiedig ar gyfer tymheredd, megis tymheredd uchaf, tymheredd isaf, gwahaniaeth tymheredd, a thymheredd cyfartalog.

3. Canlyniadau

SOC a Foltedd

Mae'r ffigur isod yn dangos foltedd, cerrynt, a SoC y pecyn batri. Rhennir yr amser profi yn 8 rhan o ddau gylch, gyda LD, EC, LC, ac ED yn cynrychioli rhyddhau hwyr, tâl cynnar, tâl hwyr, a rhyddhau cynnar, yn y drefn honno. Yn rhan gyntaf LD1, y cerrynt yw -237A, ac mae'r pecyn batri a'r foltedd batri yn gostwng; Yn yr adran EC1, y presennol yw 237A, mae'r SoC yn cyrraedd 33%, ac mae foltedd y pecyn batri yn cynyddu; Yn yr adran LC1, mae'r cerrynt yn disgyn i 33A ac mae foltedd y pecyn batri yn cynyddu; Yn yr adran ED1, y cerrynt yw -237A, ac mae'r SoC a'r foltedd yn gostwng. Yn yr ail gylch, dangosodd cerrynt, SoC, a foltedd y pecyn batri esblygiad amser tebyg i'r cylch cyntaf, a daeth y prawf i ben yn 2105s.

Mae pecynnau batri ïon lithiwm fel arfer yn gofyn am gyfnodau hir o gerrynt cyson uchel mewn cymwysiadau ymarferol, felly bydd BMS yn lleihau allbwn i sicrhau diogelwch. Mae'r ffigur uchod yn dangos gostyngiad sydyn yn y terfyn presennol yn ystod y cyfnod codi tâl hwyr oherwydd rheolaeth thermol batri.

Perfformiad thermol

Mae Ffigur a yn dangos hanes amser tymheredd 8 thermocouples ym Modiwl 1. Roedd gwerthoedd T1 a +12 yng nghanol ystod tymheredd y modiwl ar ddechrau'r prawf, ond wedi gostwng i'r isaf ar ddiwedd y prawf prawf. Roedd T1 a -01 yn hafal i Tmin ar ddechrau'r cylch cyntaf, a thymheredd y batri yng nghanol y modiwl oedd yr uchaf.

Mae Ffigur b yn dangos dosbarthiad tymheredd modiwl 2, lle mae T2, -12 yn Tmin, T2, +01 yw'r ail dymheredd isaf, a T2, +04 yw Tmax.

Mae ffigur c yn dangos dosbarthiad tymheredd modiwl 3, lle mae T3, -01 yn Tmin, T3, +12 yw'r ail dymheredd isaf, T3,+04, T3, -06, a T3, -07 yw Tmax.

Mae'r ffigur isod yn dangos hanes amser tymheredd cyfartalog, tymheredd uchaf, tymheredd isaf, a gwahaniaeth tymheredd y pecyn batri a phob modiwl. Trise y pecyn batri yn EC1 ac EC2 yw 1.6 gradd C a 1.2 gradd C, yn y drefn honno. Yn ystod y cylch rhyddhau llawn (cyfuniad o ED1 a LD2), mae'r Trise tua 5.8 gradd C. Yr uchafswm ∆ ​​T yw 2.0 gradd C a 3.2 gradd C ar ddiwedd EC1 ac EC2, yn y drefn honno, tra yr isafswm ∆ ​​T yw 1.3 gradd C a 2.2 gradd C ar ddiwedd y cylchoedd codi tâl llawn cyntaf a'r ail, yn y drefn honno gellir rhannu T yn y gwahaniaeth rhwng Tmax a Tavg, yn ogystal a'r gwahaniaeth rhwng Tavg a Tmin. Mae'r gwahaniaeth rhwng Tavg a Tmin yn amrywio'n llinol pan fydd y cerrynt yn newid yn sylweddol, tra bod y gwahaniaeth rhwng Tmax a Tavg yn sensitif i gyfredol ac aflinol.

4. Trafodaeth

Ymchwil batri:Yn yr un batri lithiwm-ion, mae tymheredd y derfynell bositif yn uwch na thymheredd y derfynell negyddol, gyda gwahaniaeth tymheredd uchaf o tua 0.6 gradd C. Mae'r ffenomen hon hefyd wedi'i chrybwyll mewn llenyddiaeth. Yn ogystal, ar ddiwedd y ddau gylchred, mae Tmin yn ymddangos yn T1,+12 a T1, -01 ym modiwl 1, T2, -12 a T2,+01 ym modiwl 2, a T3, -01 a T3,+12 ym modiwl 3. Mae hyn yn dangos bod Tmin yn ymddangos ar batri allanol y pecyn batri, oherwydd gwell effaith trosglwyddo gwres darfudol ac oeri ar y modiwl wyneb ffin o'i gymharu â'r tymheredd amgylchynol. Ac mae Tmax pob modiwl yn ymddangos yn y batri canol, ond nid yw hyn yn gymesur, sy'n nodi ymddygiad deinamig a thymheredd nad yw'n unffurfiaeth pob batri. Mae'r ffenomen hon yn dangos cymhlethdod y system ddeinamig hon ac yn pwysleisio pwysigrwydd gwerthuso ymddygiad tymheredd pob modiwl yn y pecyn batri.

Ymchwil modiwl:Mae Tavg Modiwl 1 yn uwch na'r pecyn batri yn hanner cyntaf LDs, ECs, EDs, ac LCs, sy'n nodi bod Modiwl 1 yn fwy sensitif i geryntau uchel na modiwlau eraill, yn cynhyrchu mwy o wres, yn codi'n gyflymach mewn tymheredd, ac yn cyfnewid gwres yn well na modiwlau eraill. Mae hyn yn nodi cymhlethdod y system pecyn batri, a dylid astudio ac archwilio ymddygiad thermol pob modiwl ar wahân.

Ymchwil pecyn batri:Mewn batris lithiwm-ion, modiwlau, a phecynnau batri, mae tymheredd bob amser yn cynyddu mewn EDs, LDs, ac ECs. Felly, mae Tmax yn ymddangos nid yn unig yng nghanol LC1 a LC2, ond hefyd ar ddiwedd EC1 ac EC2. Mewn geiriau eraill, pan fydd cerrynt uchel, bydd y tymheredd yn codi oherwydd dylai mwy o ïonau lithiwm symud drwy'r bilen a chynhyrchu mwy o wres. Felly, ar ddechrau LCs, bydd gostyngiad tymheredd, a ddilynir gan arsylwi ymddygiad cyflwr lled-cyson o dymheredd.

Yn ystod y cylch rhyddhau cyflawn rhwng dau gylch codi tâl, mae'r tymheredd yn cynyddu'n undonog; Yn gyffredinol, cynyddodd Trise 5.8 gradd C o'i werth cychwynnol o 31.8 gradd C. Yn ogystal, dangosodd ∆ T hefyd yr un duedd ar i fyny o 1.3 gradd C i 2.7 gradd C. Mae hyn oherwydd y cerrynt uchel yn seiliedig ar hafaliad (2) yn ystod y cyfnod hwn, yn ogystal â sensitifrwydd modiwl 1 i gyfredol. Yn ogystal, roedd y patrymau Trise yn y ddau gylch codi tâl yn dangos tueddiadau tebyg. Ar y dechrau, mae'n codi, yna'n disgyn, ac yn olaf yn cynnal tymheredd cyflwr lled gyson. Felly, pan fydd cerrynt uwch yn cael ei gymhwyso i'r pecyn batri, bydd Trise uwch a ∆ T yn cael eu cyflawni.

Gellir rhannu ∆ T yn y gwahaniaeth rhwng Tmax a Tavg, yn ogystal â'r gwahaniaeth rhwng Tavg a Tmin. Mae Tmax yn sensitif iawn i raddiannau tymheredd ac yn amrywio dros amser, tra bod Tmin yn llai sensitif i newidiadau mewn cerrynt. Felly, mae rhan bwysicaf y newid tymheredd yn y pecyn batri oherwydd ymddygiad Tmax. Mewn geiriau eraill, mae'r gwahaniaeth rhwng Tavg a Tmin yn amrywio'n llinol pan fo gwahaniaeth sylweddol yn y cerrynt, ac mae'r llethr yn newid. Mae'r gwahaniaeth rhwng Tmax a Tavg yn sensitif iawn i gerrynt, a bydd y llethr yn cynyddu dros amser. Felly, yn yr ail senario, ac eithrio amrywiadau sylweddol mewn gwahaniaethau cerrynt mawr, nid yw ∆ T yn arddangos unrhyw ymddygiad llinol mewn ceryntau cyson a deinamig. Dylai gwaith yn y dyfodol ganolbwyntio ar ddatblygu systemau oeri effeithlon ac archwilio gwahanol strategaethau rheoli thermol i wella perfformiad a diogelwch pecynnau batri lithiwm-ion yn seiliedig ar y canlyniadau a gafwyd o'r astudiaeth hon.

5. Crynodeb

Mae'r erthygl hon yn astudio ymddygiad thermol pecynnau batri lithiwm-ion 48V o dan gerrynt deinamig, sy'n hanfodol ar gyfer deall gweithrediad diogel a dibynadwy pecynnau batri lithiwm-ion, yn enwedig mewn cymwysiadau sydd angen pŵer uchel a dwysedd ynni.

Mae'r canlyniadau arbrofol yn nodi bod ymddygiad tymheredd y pecyn batri yn gymhleth ac yn aflinol, gyda gwahaniaethau ymhlith gwahanol fatris, modiwlau, a'r pecyn batri cyfan. Mae'r tymheredd y tu allan i'r pecyn batri yn is na'r batri mewnol oherwydd gwell trosglwyddiad gwres darfudol, ac mae tymheredd terfynol positif batri sengl yn uwch na'r tymheredd terfynell negyddol. Mae modiwl yn fwy sensitif i gerrynt uchel, gan arwain at godiad tymheredd cyflymach a chynhyrchu gwres, y gellir ei gael dim ond trwy astudio pob modiwl yn yr un pecyn batri lithiwm-ion.

Mae ymddygiad tymheredd y pecyn batri yn cael ei ddylanwadu'n bennaf gan Tmax, sy'n fwy sensitif i gerrynt. Mae Trise yn bennaf oherwydd cerrynt uchel a'r gwres a gynhyrchir gan symudiad ïonau lithiwm trwy'r gwahanydd. Mae'r gwahaniaeth rhwng Tmin a Tavg yn amrywio'n llinol o dan gyfredol cyson, tra bod y gwahaniaeth rhwng Tmax a Tavg yn amrywio'n aflinol o dan newidiadau cyfredol, yn enwedig o dan wahaniaethau cyfredol mawr.

Yn gyffredinol, mae canfyddiadau'r ymchwil yn nodi pwysigrwydd archwilio a gwerthuso ymddygiad thermol pob batri, modiwl, a'r pecyn batri cyfan yn unigol i ddeall cymhlethdod ac ymddygiad aflinol pecynnau batri lithiwm-ion o dan gerrynt deinamig. Bydd canlyniadau'r astudiaeth hon yn cyfrannu at ddatblygiad systemau rheoli thermol batri mwy effeithlon a dibynadwy ar gyfer pecynnau batri lithiwm-ion mewn cymwysiadau modurol yn y dyfodol. Wrth bennu strategaethau rheoli thermol batri a pharamedrau, mae angen ystyried y gwahaniaethau rhwng modiwl Tavg, dibyniaeth Tavg ar Tmax, ac effaith lleoliad batri ar ei newidiadau tymheredd.