Afhjúpun á mismunaspennutækni: Hvernig á að spá fyrir um hitastigsbreytingar inni í litíumjónarafhlöðum á skilvirkan hátt

Ágrip

Afköst litíumjónarafhlöðu fer að miklu leyti eftir rekstrarhita rafhlöðunnar. Hins vegar eru hitastigsgögnin sem venjulega fást mæld með hitaeiningum sem eru fest við yfirborð rafhlöðunnar, sem endurspegla kannski ekki nákvæmlega raunverulegt hitastig inni í rafhlöðunni, sérstaklega í lágu umhverfishitastigi og háum úthleðsluhraða. Þessi grein mun kynna nýstárlega aðferð sem notar mismunaspennutækni til að spá fyrir um innra hitastig 40Ah litíumjóna mjúkrar rafhlöðu. Munurinn á innri og ytri hitamælingum fer eftir losunarhraða og umhverfishita. Meðan á stöðugu losunarferli stendur eykst munurinn á yfirborði og mældum hitastigi á fyrstu stigum losunar, nær hámarki á miðstigi og minnkar síðan á seint stigi losunar. Niðurstöður þessarar rannsóknar geta með virkum hætti stutt stjórnunaraðferðir í rafhlöðustjórnunarkerfum (BMS).

1. Inngangur

Með aukinni athygli á umhverfismálum og skuldbindingu ríkisstjórna um að draga úr losun eru rafknúin farartæki (EVS) í auknum mæli metin sem hugsanleg lausn. Einn af lykilþáttum fyrir velgengni þeirra er orkugeymslukerfið (ESS) sem notað er. Hin fullkomna ESS ætti að hafa mikla orku- og aflþéttleika, frábæran líftíma og sýna áreiðanleika við ýmsar notkunaraðstæður eins og akstursferil, hitastig osfrv. Í rafhlöðutækni í atvinnuskyni hafa litíumjónarafhlöður orðið ákjósanlegur kostur fyrir hrein rafknúin farartæki (BEVs) ) vegna mesta rúmmáls þeirra og þyngdarorku/aflþéttleika.

BEV-bílar byggðir á litíumjónarafhlöðum munu draga verulega úr drægni þeirra og afköstum við lágan hita og háan C-hraða. Ástæður fyrir skertri frammistöðu eru meðal annars minni raflausnleiðni, minnkuð litíumdreifing í föstu formi, mikil skautun grafítskauta og hægur hleðsluflutningshreyfifræði. Í rannsókninni á 2,2 Ah 18650 litíumjónarafhlöðum fer rafefnafræðileg frammistaða rafhlöðunnar mjög eftir rekstrarhitastigi hennar. Hins vegar er rekstrarhiti rafhlaðna venjulega mældur með hitaeiningum sem eru fest við yfirborð rafhlöðunnar, sem endurspegla kannski ekki nákvæmlega rafefnafræðilega ferla inni í rafhlöðunni. Mæling á mismunaspennu (DV) er notuð til að álykta um stoichiometric röðun rafskauta við eða nálægt jafnvægi til að greina afkastagetu. Til að forðast hleðsluflutningsfyrirbæri ætti að forðast háan straum. DV táknar spennubreytileika á hverja losunargetu (dV/dQ), sem endurspeglar uppsöfnuð áhrif rekstrarskilyrða (umhverfishita, C-hraða, SOC, viðnám og sjálfhitun) á rafhlöðuna.

Markmið þessarar greinar er að nota DV tækni til að spá fyrir um „árangursríka viðnám“ rafhlöður undir mismunandi stöðugum losunarstraumum við umhverfishita á bilinu -20 til 25 gráðu C og spá síðan innra hitastigi þeirra. Frávik milli innri og mælds yfirborðshitastigs rafhlöðunnar er í beinu samhengi við losunarstrauminn og lækkar með lækkun á umhverfishita. Þessar spár geta hjálpað til við að bæta nákvæmni mats á hitastigi rafhlöðunnar og auka stjórnunaráætlanir innan rafhlöðustjórnunarkerfa (BMS).

2. Rannsóknaraðferðir

A. Tilraunaupplýsingar

Til að kanna hegðun rafhlöðunnar var litíumjóna mjúk rafhlaða sem vó 0.97 kíló með NMC jákvæðu rafskauti prófuð. Rafhlaðan er með 3,7 volta nafnspennu og afkastagetu 40 amperstunda. K-gerð hitaeining er sett upp í rúmfræðilegri miðju aðalyfirborðs mjúku rafhlöðunnar. Rafhlaðan er sett í Votsch heita klefann og háð hleðslu- og afhleðslulotum með Bitrode rafhlöðuhjóli. Prófunin var gerð við fjögur mismunandi umhverfishitastig: -20 gráður C, -10 gráður C, 0 gráður C og 25 gráður C. Hleðsla fer aðeins fram við 25 gráður C, hleðsla á hraðanum 0,5C (20 amper) þar til spennan nær 4,2 voltum. Hleðslustraumurinn lækkar síðan í 0.05C á meðan spennu er haldið upp á 4,2 volt. Afhleðslustraumarnir sem notaðir eru eru 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C og 8C. Beint mældar færibreytur innihalda rafhlöðuspennu (V), getu (Ah), afl (W), afhleðsluorka (Wh) og yfirborð rafhlöðu (mælt) hitastig (gráðu C). Skurðspenna þessarar rafhlöðu er 2,7 volt.

B. Til þess að reikna „innra hitastig“ út frá mæligildum með því að nota mismunaspennutækni, höfum við tekið eftirfarandi skref til að spá fyrir um innra hitastig (sjá mynd 1):

1. Útreikningur á spennubreytingum:Reiknaðu spennubreytinguna (∆ V) í hverju tímaþrepi.

2. Árangursríkur viðnámsútreikningur:„Áhrifsviðnám“ R er línulegt fall DV, sem fæst með því að deila ∆ V með afhleðslustraumnum.

Mynd 1. Einfalt hitamyndunarlíkan

3. Útreikningur á hitamyndun:Reiknaðu hitann sem myndast í hverju tímaþrepi Qgen=∆ V ²/R.

4. Útreikningur á hitaleiðni:Útreikningur á hitaleiðni frá rafhlöðukjarna að yfirborði er Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), þar sem k er flatar hitaleiðni rafhlöðunnar, A er yfirborðsflatarmál, og L er fjarlægðin milli rafhlöðukjarnans og yfirborðsins.

5. Útreikningur á varmaflutningi með varmaflutningi:Útreikningur á varmaflutningi á yfirborði rafhlöðunnar er Qconv=(h × A × (T-Tamb)), þar sem h er varmaflutningsstuðullinn og Tamb er umhverfishiti.

6. Útreikningur á hitabreytingum:Reiknaðu hitabreytinguna ∆ T á hverri sekúndu sem (QGen Qcond QConv)/(m × C). Hér er t tímaþrepið (í sekúndum), m er 0,97 kíló og C er hitagetan. Miðað við að Qbond sé núll við t=0 sekúndur, notaðu síðan Qbond frá fyrra tímaþrepinu.

7. Útreikningur á innri hitastigi:Reiknaðu innra hitastigið með því að samþætta ∆ T í hverju tímaþrepi.

Þessi aðferð veitir nýja nálgun til að spá nákvæmlega fyrir um innra hitastig rafgeyma með því að ítarlega íhuga rafefnafræðilega frammistöðu þeirra og hitaeiginleika, sem hefur mikla þýðingu til að hámarka rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) og bæta rafhlöðuafköst.

Tafla 1. Rafhlöðubreytur litíumjónarafhlöðna

3. Niðurstöður og umræður

A. Áhrif C-hraða og umhverfishita á losunargetu og losunarorku

Tilraunaniðurstöðurnar sýna að orkan sem rafhlaðan losar minnkar með aukningu á C-hraða og lækkun umhverfishita. Þetta er vegna þess að aukning rafhlöðuviðnáms leiðir til hraðari lækkunar á rafhlöðuspennu, þar með talið lækkun á jónaleiðni, aukningu á raflausnaviðnámi, meiri rafskautun, hægari hleðsluflutning og ófullnægjandi litíum fastfasa dreifingu.

Mynd 2. Spennuþróun með losunarorku við mismunandi umhverfishita og c-hraða

Þegar afhleðsla er við 5C við -10 gráðu C mun spennan hækka í töluverðan tíma meðan á losunarferlinu stendur. Þetta er vegna þess að sjálfhitun veldur því að hitastig rafhlöðunnar eykst, sem leiðir til lækkunar á raflausnaviðnámi vegna aukinnar jónaleiðni og saltdreifingarhraða, sem gerir útskriftarorkuna hærri en við jafnhitalosun. Við -10 gráðu C er losunargetan 5C 3,6% hærri en 1C, en losunarorkan er 2,9% minni; Við 0 gráðu C er losunargetan 5C 1% hærri en 1C og losunarorkan er 5,3% lægri, sem gefur til kynna að ávinningurinn af afkastagetu sem fylgir sjálfhitun gæti verið ofmetinn og mestur hluti aukinnar afkastagetu er notað til rafhlöðuhitunar.

Mynd 3. Spennuþróun rafgeyma með afhleðslugetu við mismunandi umhverfishita og c hraða

B. Áhrif C-hraða og umhverfishita á að spá fyrir um innra hitastig með því að nota mismunaspennu

Mynd 4. Virk viðnám og losunarorka við mismunandi umhverfishitastig og C-hraða

Virk viðnám eykst almennt með lækkandi umhverfishita og vaxandi C-hraða, sem þýðir að á einhverjum tímapunkti í losunarferlinu breytist spennan meira við losun orku. Við lægra umhverfishita, sérstaklega við háan C-hraða, er virk viðnám meiri vegna lítillar jónaleiðni, hægs hleðsluflutnings, mikillar raflausnaviðnáms og hægfara dreifingar í föstu formi. Þetta er í samræmi við fyrri rannsóknir sem sýna að DC viðnám eykst með lækkandi umhverfishita og vaxandi C-hraða, og virka viðnám eykst í lok losunar. Þrátt fyrir að sjálfhitunarstig 5C losunar sé hátt við -10 gráður C, er virka viðnám þess enn hæst, hugsanlega vegna stutts losunartíma.

Mynd 5. Samanburður á innra (I) og mældum (M) hitastigi við mismunandi C hraða við 25 gráðu umhverfishita

Mynd 6. Samanburður á innra (I) og mældum (M) hitastigi við mismunandi C hraða við 0 gráðu umhverfishita

Við losun hækkar bæði mældur hiti og innri hiti, með meiri hitahækkun og meiri aukningu á innra hitastigi við háan C-hraða og lágan umhverfishita. Í samræmi við aðrar rannsóknir er hámarksmunur á innra og mældu hitastigi í losunarferlinu (∆ T) í réttu hlutfalli við samsvarandi C-hraða og munurinn eykst eftir því sem umhverfishiti lækkar. ∆ T við mismunandi rekstrarskilyrði í þessari grein er aðeins hærra en rannsóknin sem rannsakar aðeins yfirborðshitastig, en er meira í samræmi við rannsóknina sem ber saman innra hitastig og yfirborðshita, sem gefur til kynna að áætlaður innri hiti í þessari grein táknar meðaltalið í heild. hitastig rafhlöðunnar og mældur hitastig kemur frá yfirborðsskynjara/hitaeiningum. Munurinn á innra hitastigi rafhlöðunnar og mælds hitastigs eykst almennt með útskrift, nær hámarki í miðri afhleðslu og minnkar síðan. Stærð mismunarins eykst með aukningu á C-hraða og umhverfishita.

Mynd 7. Samanburður á innra (I) og mældum (M) hitastigi við mismunandi C hraða við umhverfishita upp á 25 gráður.

Mynd 8. Þróun innra hitastigs og mælds rafhlöðuhitamunur á 30 Wh afhleðslu

4. Samantekt

Við lægra umhverfishita gæti ávinningur sjálfhitunar verið ofmetinn og gæti ekki skilað sér í aukningu á tiltækri orku fyrir rafhlöðuna.

Takmarkanir á sjálfhitunaráhrifum:Í lághitaumhverfi, þó að sjálfhitunaráhrif rafgeyma geti aukið losunargetu, þýðir það ekki alltaf að orkan sem rafhlaðan gefur frá sér aukist. Þetta er vegna þess að aukin afkastageta má aðallega nota til að hita rafhlöðuna, frekar en til að vinna eða veita meiri raforku.

Virk viðnám rafhlöðu er meiri við hærri afhleðslustrauma og lægra umhverfishita.

Sambandið milli skilvirkrar viðnáms og rekstrarskilyrða:Árangursrík viðnám er mikilvæg breytu rafhlöðu við sérstakar rekstrarskilyrði, sem eykst með aukningu á útskriftarstraumi og lækkun umhverfishita. Þetta gefur til kynna að jónaleiðni og hleðsluflutningur inni í rafhlöðunni séu hindraðar við mikla straumhleðslu og lágt hitastig.

Munurinn á innra hitastigi rafhlöðunnar og mælds yfirborðshitastigs rafhlöðunnar eykst með aukningu afhleðslustraums og lækkun umhverfishita.

Sambandið milli hitamunar og rekstrarskilyrða:Munurinn á innra hitastigi og yfirborðshitastigi (∆ T) er í beinum tengslum við losunarstraum og umhverfishita. Þetta þýðir að í umhverfi með mikilli straumafhleðslu og lágt hitastig getur hitastigið inni í rafhlöðunni verið miklu hærra en yfirborðshitastigið, sem skiptir sköpum fyrir hitastjórnun og hagræðingu rafhlöðunnar.

Meðan á losunarferlinu stendur eykst munurinn á innra hitastigi rafhlöðunnar og mælds yfirborðshita rafhlöðunnar á fyrstu stigum útskriftar, nær hámarki á miðstigum og minnkar síðan á seinustu stigum losunar.

Dýnamískar breytingar á hitamun:Þróun hitamismunar á innra og yfirborði rafhlöðunnar við losun endurspeglar hversu flókið innri hitauppstreymi rafhlöðunnar er. Þessi munur eykst á fyrstu stigum afhleðslu, hugsanlega vegna hraðrar aukningar á hita sem myndast innvortis þegar rafhlaðan byrjar að tæmast. Hámarki á miðri afhleðslu getur verið vegna hæsta innra hitastigs rafhlöðunnar, en lækkun undir lok afhleðslu getur stafað af lækkun á hita sem myndast innan rafhlöðunnar og upphaf kælingar.

Þessar athuganir skipta sköpum fyrir hönnun og hagræðingu rafhlöðustjórnunarkerfa (BMS), þar sem þær veita dýrmætar upplýsingar um hegðun rafhlaðna við mismunandi notkunarskilyrði. Með því að skilja og spá fyrir um þessi fyrirbæri er hægt að stjórna hitastigi rafhlöðunnar á skilvirkari hátt og bæta þannig afköst hennar og líftíma.