آشکارسازی فناوری ولتاژ دیفرانسیل: نحوه پیش بینی موثر تغییرات دما در باتری های لیتیوم یون

چکیده

عملکرد باتری های لیتیوم یونی تا حد زیادی به دمای کارکرد باتری بستگی دارد. با این حال، داده‌های دمایی که معمولاً به‌دست می‌آیند توسط ترموکوپل‌های متصل به سطح باتری اندازه‌گیری می‌شوند که ممکن است دمای واقعی داخل باتری را به‌طور دقیق منعکس نکنند، به خصوص در دمای پایین محیط و نرخ تخلیه بالا. این مقاله روشی نوآورانه را معرفی می کند که از فناوری ولتاژ دیفرانسیل برای پیش بینی دمای داخلی یک باتری بسته نرم لیتیوم یونی 40Ah استفاده می کند. تفاوت بین اندازه گیری دمای داخلی و خارجی به میزان دبی و دمای محیط بستگی دارد. در طی فرآیند تخلیه مداوم، اختلاف سطح و دمای اندازه گیری شده در مرحله اولیه تخلیه افزایش می یابد، در مرحله میانی به اوج خود می رسد و سپس در مرحله آخر تخلیه کاهش می یابد. نتایج این مطالعه می تواند به طور فعال از استراتژی های کنترل در سیستم های مدیریت باتری (BMS) پشتیبانی کند.

1. مقدمه

با توجه روزافزون به مسائل زیست محیطی و تعهد دولت ها به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) به طور فزاینده ای به عنوان یک راه حل بالقوه ارزش گذاری می شوند. یکی از عوامل کلیدی موفقیت آنها سیستم ذخیره انرژی (ESS) مورد استفاده است. ESS ایده آل باید دارای چگالی انرژی و توان بالا، طول عمر عالی، و قابلیت اطمینان در شرایط عملیاتی مختلف مانند چرخه های رانندگی، دما و غیره باشد. در فناوری باتری های تجاری، باتری های لیتیوم یون به انتخاب ترجیحی برای وسایل نقلیه الکتریکی خالص تبدیل شده اند (BEVs) ) به دلیل بیشترین حجم و وزن چگالی انرژی/توان آنها.

BEV های مبتنی بر باتری های لیتیوم یون به طور قابل توجهی برد و عملکرد توان خود را در شرایط دمای پایین و نرخ C بالا کاهش می دهند. دلایل کاهش عملکرد عبارتند از کاهش رسانایی الکترولیت، کاهش انتشار لیتیوم در حالت جامد، قطبش بالای آندهای گرافیت، و سینتیک انتقال بار آهسته. در مطالعه باتری‌های لیتیوم یونی 2.2 Ah 18650، عملکرد الکتروشیمیایی باتری به شدت به دمای کارکرد آن بستگی دارد. با این حال، دمای کار باتری ها معمولاً توسط ترموکوپل های متصل به سطح باتری اندازه گیری می شود که ممکن است به طور دقیق فرآیندهای الکتروشیمیایی داخل باتری را منعکس نکند. اندازه گیری ولتاژ دیفرانسیل (DV) برای استنباط تراز استوکیومتری الکترودها در تعادل یا نزدیک به تعادل برای تشخیص فروپاشی ظرفیت استفاده می شود. برای جلوگیری از پدیده انتقال شارژ، باید از جریان بالا اجتناب کرد. DV نشان دهنده تغییر ولتاژ در واحد ظرفیت تخلیه (dV/dQ) است که منعکس کننده تأثیر تجمعی شرایط عملیاتی (دمای محیط، نرخ C، SOC، امپدانس و خود گرمایش) روی باتری است.

هدف این مقاله استفاده از فناوری DV برای پیش‌بینی «مقاومت مؤثر» باتری‌ها تحت جریان‌های تخلیه مداوم مختلف در دمای محیط از -20 تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد و سپس پیش‌بینی دمای داخلی آنها است. انحراف بین دمای سطح داخلی و اندازه گیری شده باتری به طور مستقیم با جریان تخلیه ارتباط دارد و با کاهش دمای محیط کاهش می یابد. این پیش‌بینی‌ها ممکن است به بهبود دقت تخمین دمای باتری و افزایش استراتژی‌های کنترل در سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) کمک کند.

2. روش تحقیق

الف. جزئیات تجربی

به منظور بررسی رفتار باتری، یک باتری بسته نرم لیتیوم یونی با وزن 0.97 کیلوگرم با الکترود مثبت NMC مورد آزمایش قرار گرفت. باتری دارای ولتاژ نامی 3.7 ولت و ظرفیت 4{9}} آمپر ساعت است. یک ترموکوپل نوع K در مرکز هندسی سطح اصلی باتری سافت پک نصب شده است. باتری در سلول داغ Votsch قرار می گیرد و با استفاده از چرخه باتری Bitrode در معرض چرخه های شارژ و دشارژ قرار می گیرد. این آزمایش در چهار دمای مختلف محیط انجام شد: -20 درجه سانتی‌گراد، -10 درجه سانتی‌گراد، 0 درجه سانتی‌گراد، و ۲۵ درجه سانتی‌گراد. شارژ فقط در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد، شارژ انجام می‌شود. با سرعت 0.5 درجه سانتیگراد (20 آمپر) تا زمانی که ولتاژ به 4.2 ولت برسد. سپس جریان شارژ به 0 کاهش می‌یابد.05 درجه سانتیگراد با حفظ ولتاژ 4.2 ولت. جریان های تخلیه مورد استفاده شامل 0.1C، 0.2C، 0.5C، 1C، 2C، 5C و 8C می باشد. پارامترهای مستقیم اندازه گیری شده شامل ولتاژ باتری (V)، ظرفیت (Ah)، توان (W)، انرژی تخلیه (Wh) و دمای سطح باتری (اندازه گیری شده) (درجه C) می باشد. ولتاژ قطع این باتری 2.7 ولت است.

ب. به منظور محاسبه "دمای داخلی" از پارامترهای اندازه گیری با استفاده از فناوری ولتاژ دیفرانسیل، مراحل زیر را برای پیش بینی دمای داخلی انجام داده ایم (شکل 1 را ببینید):

1. محاسبه تغییر ولتاژ:تغییر ولتاژ (∆ V) را در هر مرحله زمانی محاسبه کنید.

2. محاسبه مقاومت موثر:"مقاومت موثر" R تابع خطی DV است که از تقسیم ∆ V بر جریان تخلیه بدست می آید.

شکل 1. مدل تولید گرما ساده

3. محاسبه تولید گرما:گرمای تولید شده در هر مرحله زمانی Qgen=∆ V²/R را محاسبه کنید.

4. محاسبه هدایت حرارتی:محاسبه رسانش گرما از هسته باتری به سطح Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2) است، که در آن k هدایت حرارتی مسطح باتری، A مساحت سطح است. و L فاصله بین هسته باتری و سطح است.

5. محاسبه انتقال حرارت همرفتی:محاسبه انتقال حرارت همرفتی روی سطح باتری Qconv{0}}(h × A × (T-Tamb)) است، که در آن h ضریب انتقال حرارت همرفتی و Tamb دمای محیط است.

6. محاسبه تغییر دما:تغییر دما Δ T را هر ثانیه به صورت (QGen Qcond QConv)/(m × C) محاسبه کنید. در اینجا t گام زمانی (بر حسب ثانیه)، m 0.97 کیلوگرم، و C ظرفیت گرمایی است. با فرض صفر بودن Qbond در t=0 ثانیه، سپس از Qbond از مرحله زمانی قبلی استفاده کنید.

7. محاسبه دمای داخلی:دمای داخلی را با ادغام T T در هر مرحله زمانی محاسبه کنید.

این روش رویکرد جدیدی را برای پیش‌بینی دقیق دمای داخلی باتری‌ها با در نظر گرفتن عملکرد الکتروشیمیایی و ویژگی‌های حرارتی آنها ارائه می‌کند که برای بهینه‌سازی سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) و بهبود عملکرد باتری اهمیت زیادی دارد.

جدول 1. پارامترهای باتری باتری های لیتیوم یونی کیسه ای

3. نتایج و بحث

الف. تأثیر نرخ C و دمای محیط بر ظرفیت تخلیه و انرژی تخلیه

نتایج تجربی نشان می دهد که انرژی آزاد شده توسط باتری با افزایش C-rate و کاهش دمای محیط کاهش می یابد. این به این دلیل است که افزایش امپدانس باتری منجر به کاهش سریع‌تر ولتاژ باتری، از جمله کاهش هدایت یونی، افزایش مقاومت الکترولیت، پلاریزاسیون آندی بالاتر، انتقال شارژ کندتر، و انتشار ناکافی فاز جامد لیتیوم می‌شود.

شکل 2. تکامل ولتاژ با انرژی تخلیه در دماهای مختلف محیطی و نرخ های c

هنگام تخلیه در دمای 5 درجه سانتیگراد در -10 درجه سانتیگراد، ولتاژ برای مدت زمان قابل توجهی در طول چرخه تخلیه افزایش می یابد. این به این دلیل است که گرمایش خود باعث افزایش دمای باتری و در نتیجه کاهش مقاومت الکترولیت به دلیل افزایش رسانایی یون و سرعت انتشار نمک می شود و در نتیجه انرژی تخلیه را بیشتر از تخلیه همدما می کند. در -10 درجه سانتیگراد، ظرفیت تخلیه 5 درجه سانتیگراد 3.6٪ بیشتر از 1 درجه سانتیگراد است، اما انرژی تخلیه 2.9٪ کمتر است. در 0 درجه سانتیگراد، ظرفیت تخلیه 5 درجه سانتیگراد 1٪ بیشتر از 1 درجه سانتیگراد است، و انرژی تخلیه 5.3٪ کمتر است، که نشان می دهد که مزایای ظرفیت ناشی از خود گرمایش ممکن است بیش از حد برآورد شود، و بیشتر ظرفیت افزایش یافته است. برای گرم کردن باتری استفاده می شود.

شکل 3. تکامل ولتاژ باتری های با ظرفیت تخلیه در دماهای محیط و نرخ های مختلف c

ب. تأثیر نرخ C و دمای محیط بر پیش بینی دمای داخلی با استفاده از ولتاژ دیفرانسیل

شکل 4. مقاومت موثر و انرژی تخلیه در دماهای مختلف محیطی و نرخ C

مقاومت موثر عموماً با کاهش دمای محیط و افزایش نرخ C افزایش می‌یابد، به این معنی که در نقطه‌ای از چرخه تخلیه، ولتاژ با آزاد شدن انرژی به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. در دماهای محیطی پایین تر، به خصوص در نرخ های C بالا، مقاومت موثر به دلیل هدایت یونی کم، انتقال آهسته بار، مقاومت الکترولیت بالا و انتشار آهسته در حالت جامد بیشتر است. این با مطالعات قبلی مطابقت دارد که نشان می‌داد مقاومت DC با کاهش دمای محیط و افزایش نرخ C افزایش می‌یابد و مقاومت موثر در پایان تخلیه افزایش می‌یابد. اگرچه درجه خود گرمایش تخلیه 5 درجه سانتی گراد در -10 درجه سانتی گراد بالا است، مقاومت موثر آن احتمالاً به دلیل زمان تخلیه کوتاه است.

شکل 5. مقایسه دمای داخلی (I) و اندازه گیری شده (M) در نرخ های مختلف C در دمای محیط 25 درجه

شکل 6. مقایسه دمای داخلی (I) و اندازه گیری شده (M) در نرخ های مختلف C در دمای محیط 0 درجه

در حین تخلیه، هم دمای اندازه گیری شده و هم دمای داخلی افزایش می یابد، با افزایش دمای بالاتر و افزایش بیشتر دمای داخلی در نرخ C بالا و دمای محیط پایین. مطابق با مطالعات دیگر، حداکثر اختلاف بین دمای داخلی و اندازه‌گیری شده در طول چرخه تخلیه (∆ T) متناسب با نرخ C مربوطه است و با کاهش دمای محیط، این تفاوت افزایش می‌یابد. Δ T تحت شرایط عملیاتی مختلف در این مقاله کمی بالاتر از مطالعه ای است که فقط گرادیان های دمای سطح را بررسی می کند، اما با مطالعه ای که دمای داخلی و سطح را مقایسه می کند سازگارتر است، که نشان می دهد دمای داخلی تخمین زده شده در این مقاله میانگین کلی را نشان می دهد. دمای باتری و دمای اندازه گیری شده از خوانش سنسور سطح/ترموکوپل بدست می آید. تفاوت بین دمای داخلی باتری و دمای اندازه گیری شده معمولاً با دشارژ افزایش می یابد، در اواسط تخلیه به اوج می رسد و سپس کاهش می یابد. مقدار اختلاف با افزایش نرخ C و دمای محیط افزایش می یابد.

شکل 7. مقایسه دمای داخلی (I) و اندازه گیری شده (M) در نرخ های مختلف C در دمای محیط 25 درجه.

شکل 8. تکامل دمای داخلی و اختلاف دمای باتری اندازه گیری شده در هر تخلیه 30 وات ساعت

4. خلاصه

در دماهای محیطی پایین تر، مزایای ظرفیت گرمایش خودکار ممکن است بیش از حد برآورد شود و ممکن است به افزایش انرژی موجود برای باتری تبدیل نشود.

محدودیت های اثر خود گرمایشی:در محیط های با دمای پایین، اگرچه اثر خود گرم شدن باتری ها ممکن است ظرفیت تخلیه را افزایش دهد، اما همیشه به این معنی نیست که انرژی آزاد شده توسط باتری افزایش می یابد. این به این دلیل است که ظرفیت افزایش یافته ممکن است عمدتاً برای گرم کردن باتری به جای انجام کار یا تامین انرژی الکتریکی بیشتر استفاده شود.

مقاومت موثر باتری در جریان های تخلیه بالاتر و دمای محیط کمتر بیشتر است.

رابطه بین مقاومت موثر و شرایط عملیاتی:مقاومت موثر پارامتر مهم باتری در شرایط کاری خاص است که با افزایش جریان تخلیه و کاهش دمای محیط افزایش می یابد. این نشان می دهد که هدایت یونی و انتقال شارژ در داخل باتری در شرایط تخلیه جریان بالا و دمای پایین بیشتر مانع می شود.

تفاوت بین دمای داخلی باتری و دمای سطح اندازه گیری شده باتری با افزایش جریان تخلیه و کاهش دمای محیط افزایش می یابد.

رابطه بین اختلاف دما و شرایط عملیاتی:تفاوت بین دمای داخلی و سطح (∆ T) رابطه مستقیمی با جریان تخلیه و دمای محیط دارد. این بدان معنی است که در محیط های تخلیه جریان بالا و دمای پایین، دمای داخل باتری ممکن است بسیار بالاتر از دمای سطح باشد که برای مدیریت حرارتی و بهینه سازی عملکرد باتری بسیار مهم است.

در طول چرخه دشارژ، تفاوت بین دمای داخلی باتری و دمای سطح اندازه گیری شده باتری در مراحل اولیه تخلیه افزایش می یابد، در مراحل میانی به اوج خود می رسد و سپس در مراحل پایانی تخلیه کاهش می یابد.

تغییرات دینامیکی در اختلاف دما:روند تفاوت دما بین داخلی و سطح باتری در هنگام تخلیه، پیچیدگی دینامیک حرارتی داخلی باتری را منعکس می کند. این تفاوت در مراحل اولیه تخلیه افزایش می یابد، احتمالاً به دلیل افزایش سریع گرمای تولید شده در داخل با شروع تخلیه باتری. اوج گیری در هنگام تخلیه وسط باتری ممکن است به دلیل بالاترین دمای داخلی باتری باشد، در حالی که کاهش در انتهای تخلیه ممکن است به دلیل کاهش گرمای تولید شده در باتری و شروع خنک شدن باشد.

این مشاهدات برای طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) بسیار مهم هستند، زیرا اطلاعات ارزشمندی در مورد رفتار باتری‌ها در شرایط کاری مختلف ارائه می‌دهند. با درک و پیش‌بینی این پدیده‌ها، می‌توان دمای باتری را به طور مؤثرتری مدیریت کرد و در نتیجه عملکرد و طول عمر باتری را بهبود بخشید.