Исследование взаимосвязи между теплопроводностью призматических литий-ионных аккумуляторов и состоянием заряда (SOC)

Литий-ионные аккумуляторы, как тип перезаряжаемого источника питания, широко используются в электромобилях (EV) и гибридных электромобилях (HEV) из-за их высокой плотности, низкой скорости саморазряда и длительного срока службы. Однако литий-ионные аккумуляторы также имеют свои ограничения. Количество тепла, используемого во время процессов зарядки и разрядки, может привести к повышению температуры аккумулятора. В частности, при высоких скоростях заряда-разряда и высоких рабочих температурах это может привести к быстрой деградации емкости и даже к разгоранию аккумулятора. Поэтому были тщательно исследованы различные типы систем терморегулирования аккумулятора (BTMS) для поддержания температуры аккумулятора в различных рабочих температурах от 25 ℃ до 40 ℃ и поддержания температуры внутри аккумуляторного блока ниже 5 ℃. Важное замечание: теплопроводность аккумулятора является теплофизическим свойством, используемым для проектирования BTMS, влияющим как на структурное освещение, так и на температурное отключение.

В настоящее время методы испытания теплопроводности призматических батарей в основном относятся к категориям: дополнительный расчет и прямое измерение. Методы дополнительных расчетов включают в себя, среди прочего, методы исследования и моделирования климатических сетей. Эти методы упрощают батарею до более легко извлекаемой модели и определяют эквивалентную теплопроводность батареи на основе теплофизических свойств ее компонентов и материалов ^[1] . Однако расчеты универсальности и точности моделей часто допускают изменения из-за внутренней сложности структуры батареи, изменения граничных условий системы и изменения характеристик материала батареи. Такой подход к использованию теплопроводности батарей с использованием соответствующих приборов является более безопасным и эффективным.

В данной статье представлен двухпозиционный тестер тепловых параметров от Zeal Instrument, который теперь обеспечивает теплопроводность призматической литий-ионной батареи литий-железо-фосфатной емкости 280 А·ч без повреждения батареи (как показано на рисунке 1). Тест получает параметры теплопроводности батареи в плоскости и через плоскость при различных состояниях заряда (SOC). Результаты необходимы для проверки аккумуляторных тепловых моделей, оптимизации конструкции батареи и повышения производительности системы BTMS.

Рисунок 1: 01# Батарея с черной краской (слева) и схема установки (справа)

Экспериментальные результаты

Рисунок 2: Функция погрешности параметров обратного расчета для батарей 01# (слева) и 02# (справа) при 0% SOC

Рисунок 3: Функция погрешности параметров обратного расчета для батарей 01# (слева) и 02# (справа) при 25% SOC

Рисунок 4: Функция погрешности параметров обратного расчета для батарей 01# (слева) и 02# (справа) при 50% SOC

Рисунок 5: Функция погрешности параметров обратного расчета для батарей 01# (слева) и 02# (справа) при 100% SOC

Таблица 1: Сводка результатов для тепловых параметров

Примечание: 1. Общее эквивалентное условие теплопроводности в плоскости: нагрев батареи с нижним жидкостным охлаждением; 2. Общее эквивалентное условие теплопроводности через плоскость: нагрев батареи; 3. Единица теплопроводности — Вт/(м·К), единица коэффициента теплопередачи — Вт/(м²·К).

Рисунок 6: Изменение анизотропной теплопроводности слоистой структуры (слева) и эквивалентной теплопроводности ячейки (справа) в зависимости от SOC

Как было представлено ранее, двухрежимный тестер тепловых параметров TCA 2SC-080 вычисляет теплопроводность в плоскости и через плоскостность внутренней ламинированной структуры, коэффициенты теплопередачи между ламинированной структурой и корпусом большой поверхности, а также между ламинированной структурой и нижним (охлаждающей поверхностью) корпусом батареи с помощью инфракрасной батареи. термографии и инверсии моделей теплопередачи в одном тесте. Он также обеспечивает эквивалентную теплопроводность в плоскости и через плоскость элемента батареи.

Из Таблицы 1 и Рисунка 6 можно заметить, что теплопроводность в плоскости внутренней слоистой структуры литий-железо-фосфатной батареи емкостью 280 А·ч составляет от 22 до 27 Вт/(м·К), теплопроводность через плоскость составляет от 1,2 до 1,8 Вт/(м·К). Эквивалентная теплопроводность в плоскости ячейки батареи составляет примерно от 23 до 25 Вт/(м·К), а эквивалентная теплопроводность через плоскость составляет от 4,6 до 5,2 Вт/(м·К). Кроме того, не наблюдается существенных изменений теплопроводности призматической литий-железо-фосфатной батареи при различных состояниях заряда (SOC), что согласуется с соответствующей литературой ^[2] .

Заключение

В данной статье использован двухрежимный тестер тепловых параметров TCA 2SC-080 от Hangzhou Zeal Instrument Co., Ltd. для проведения неразрушающих испытаний теплопроводности призматической получения литий-ионной батареи литий-железо-фосфата емкостью 280 А·ч, для теплопроводности в плоскости и через плоскость. . . и другие теплофизические параметры при различных SOC. Результаты показывают, что нет корреляции между теплопроводностью призматической литий-железо-фосфатной батареи и ее SOC. Эти результаты необходимы для проверки аккумуляторных тепловых моделей и оптимизации конструкции, безопасности батареи и производительности системы BTMS.

Ссылки

[1] Цуй Сифэн, Чжан Хунлян, Гун Ян и др. Теплофизические свойства квадратных литий-ионных аккумуляторов с твердой оболочкой [J]. Цветные металлы, 2019, 29(12): 2747-2756. DOI: 10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.12.07.

[2] Ковачев Г., Астнер А., Гстрейн Г. и др. Теплопроводность старых литий-ионных элементов при различных условиях сжатия и состояниях заряда [J]. Аккумуляторы, 2021, 7(3): 42.