Test thermique de la batterie au lithium EV

Test thermique de la batterie au lithium EV

Ces dernières années, les véhicules électriques se sont développés rapidement et, en tant que composant clé des véhicules électriques, les batteries de puissance ont également connu un développement technologique rapide. Les performances et la durée de vie des batteries de puissance déterminent directement les performances et le coût des véhicules à transmission électrique. À l'heure actuelle, les principales batteries d'alimentation utilisées dans les véhicules à propulsion électrique sont les batteries au plomb, les batteries au nickel-cadmium, les batteries au nickel-hydrure métallique, les batteries au lithium-ion et les batteries à supercondensateurs. Les batteries au lithium-ion ont progressivement remplacé les batteries au plomb, la batterie au nickel-cadmium et la batterie au nickel-hydrure métallique en tant que batteries d'alimentation principales pour les véhicules à propulsion électrique en raison de leurs avantages tels qu'une puissance spécifique élevée, une grande densité d'énergie, une longue durée de vie, une faible autonomie. taux de décharge, longue durée de stockage et pas de pollution.

La batterie de puissance utilisée dans les véhicules électriques est composée de plusieurs cellules de batterie disposées en série et en parallèle pour former un bloc-batterie. Les cellules de la batterie sont étroitement disposées ensemble et pendant la charge et la décharge, chaque cellule génère une grande quantité de chaleur. La chaleur générée par les cellules de la batterie s'affectera mutuellement. Si la dissipation thermique est inégale, cela entraînera une augmentation rapide de la température locale de la batterie, détériorera la consistance de la batterie et réduira considérablement sa durée de vie. Dans les cas graves, un emballement thermique de certaines batteries individuelles sera causé, résultant dans des accidents relativement graves.

Dans le même temps, lorsque la batterie d'alimentation est dans un environnement à basse température, les performances de charge et de décharge de la batterie lithium-ion diminuent considérablement. Les fabricants et professionnels de la batterie lithium-ion ont mené de nombreux travaux de recherche à ce sujet. À l'heure actuelle, on pense généralement que les performances à basse température de la batterie lithium-ion sont dues au film SEI, à l'impédance de transfert de charge de surface, à la diffusion des ions lithium dans l'électrode et à d'autres raisons, mais les principaux facteurs affectant les performances à basse température de la batterie n'ont pas été déterminés, Pendant le processus de charge et de décharge des batteries à basse température, de la chaleur est également générée. La question de savoir si cette chaleur peut aider à restaurer les performances de la batterie n'a pas encore été étudiée dans la littérature pertinente. Il est donc nécessaire de mener des recherches pertinentes sur les caractéristiques thermiques des batteries.

1 Chargement et déchargement de la batterie à température ambiante

Cette section étudie les caractéristiques de génération de chaleur d'une batterie au lithium-oxyde de manganèse de 35 Ah pendant la charge et la décharge dans des conditions naturelles de dissipation de la chaleur. Les cellules de batterie sont suspendues dans un espace sans dissipation thermique forcée, dans des conditions naturelles de dissipation thermique. Pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, un système de mesure de la température à 16 canaux est utilisé pour mesurer la température de la batterie.

1.1 Caractéristiques de génération de chaleur de la décharge de la batterie

Dans un environnement de dissipation thermique naturelle, déchargez les batteries à des taux de 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C et 4C, respectivement. Tout d'abord, suspendez la batterie dans un environnement sans dissipation thermique forcée à température ambiante. Avant de décharger, chargez la batterie à un courant constant à un taux de tension constant de 1C/3 et laissez-la reposer pendant 2 heures après une charge complète ; Effectuez ensuite une décharge à courant constant à un certain rythme, avec une tension de coupure de 3V. En raison du fait que l'expérience a été menée dans un environnement de dissipation thermique naturelle, la température ambiante varie légèrement à différentes périodes de temps. Pour faciliter la comparaison, la température de départ de la batterie a été uniformément fixée à 20 ℃ pendant le processus d'étirage.

D'après les résultats expérimentaux, on peut voir que pendant le processus de décharge, la température de l'oreille positive de la batterie est légèrement supérieure à celle de l'oreille négative, et cette tendance est plus évidente lors d'une décharge à haut débit. Lorsque le taux de décharge de la batterie augmente, la température des oreilles positives et négatives de la batterie augmente rapidement. Lorsqu'elle est déchargée à 0,3 C, la température de l'oreille positive de la batterie passe de 20 ℃ à 21,9 ℃, n'augmentant que de 95 % ;

Lors de la décharge à 1C, la température de l'oreille de l'électrode positive de la batterie est passée de 20 ℃ à 24,3 ℃, soit une augmentation de 21,5 % ; Lors de la décharge à 2C, la température de l'oreille de l'électrode positive de la batterie a augmenté de 48% de 20 ℃ à 29,6 ℃; Lors de la décharge à 4C, la température de l'électrode positive de la batterie est passée de 20 ℃ à 36,96 ℃, soit une augmentation de 84,8%. Par conséquent, dans un environnement à haute température, lorsque la batterie est déchargée à grande vitesse, des mesures de dissipation thermique correspondantes doivent être prises, sinon la batterie sera surchauffée, entraînant une dégradation des performances, une durée de vie raccourcie et même un état dangereux d'emballement thermique.

Sous différents taux de décharge, la tendance à l'augmentation de la température du corps de la batterie est la même que celle des oreilles des électrodes positives et négatives : l'augmentation de la température est plus rapide au début de la décharge, ralentit au stade intermédiaire et augmente rapidement à nouveau dans la dernière étape de la décharge.

1.2 Caractéristiques de génération de chaleur lors de la charge de la batterie

Semblable à l'expérience d'élévation de température de décharge, pendant l'expérience d'élévation de température de charge, la batterie est suspendue dans un environnement sans dissipation thermique forcée. Premièrement, la batterie est déchargée à un taux de courant constant de 1C/3, avec une tension de coupure de 3V. Une fois la décharge terminée, on laisse reposer pendant 2 heures.

Ensuite, une charge de tension constante à courant constant est effectuée à un taux de 0,3C, 0,5C, 1C, 2C, 3C et 4C, respectivement. La différence de température entre les oreilles positives et négatives de la batterie pendant la charge est plus petite que lors de la décharge au même rythme. Pendant le processus de charge à courant constant, la température des oreilles positives et négatives de la batterie augmente rapidement; Pendant la phase de charge à tension constante, la température des oreilles de la batterie commence à diminuer, principalement en raison de la diminution continue du courant de charge et de la diminution du taux de génération de chaleur de la batterie. Par conséquent, dans le processus de charge à courant constant et à tension constante des batteries, le processus de charge à courant constant est une étape importante de l'accumulation de chaleur interne dans les batteries.

La température des faces avant et arrière est presque égale et la tendance à la hausse de température du corps de la batterie est la même que celle des oreilles positives et négatives. Grâce aux expériences ci-dessus sur la charge et la décharge de la batterie, la génération de chaleur dans un environnement à température ambiante sans dissipation thermique forcée, on peut voir que pendant la charge et la décharge à haut débit, la température de la batterie augmente rapidement, ce qui peut facilement endommager la batterie et même dangereux. les conditions de travail. Par conséquent, les véhicules électriques doivent être équipés d'un système de dissipation thermique pour dissiper la chaleur de la batterie, afin de contrôler la température de la batterie dans une plage raisonnable.

2 Décharge de la batterie à basse température

En raison du fait que le test de charge et de décharge à basse température est effectué dans une chambre de test de température, il n'est pas possible d'analyser la génération de chaleur de la batterie en mesurant directement la température de surface de la batterie, et ne peut être analysée qu'en fonction de la courbe de charge et de décharge de la batterie.

La batterie est presque incapable de se charger avec un courant élevé à basse température. Dans l'expérience, des courants constants de 35A et 70A ont été utilisés pour charger la batterie. En dessous de 0 ℃, la tension principale de la batterie monte immédiatement à 4,2 V, puis entre dans l'étape de charge à tension constante. À ce moment, le courant de charge de la batterie est relativement faible, il n'y a donc pas de phénomène de chauffage évident. Les batteries peuvent subir une décharge de courant élevée à court terme à basse température, de sorte que des recherches approfondies peuvent être menées sur la génération de chaleur lors de la décharge des batteries à basse température.

Pour étudier la génération de chaleur des batteries à basse température, les batteries ont été placées dans un environnement à basse température et soumises à une décharge de courant constant au même rythme. La batterie est d'abord chargée à un courant constant à un taux de tension constant de 1C/3C à température ambiante, complètement chargée, puis laissée dans une chambre à température pendant 5 heures.

Ensuite, il est déchargé à un taux de courant constant avec une tension de coupure de 3V. Dans la plage de température de 0 ℃ ~ -40 ℃, déchargez à des courants constants de 10A, 35A, 70A et 140A, respectivement. Afin de comparer avec la décharge à température ambiante, la situation de décharge de la batterie à 20 ℃ est indiquée sur la figure, et la même méthode sera utilisée pour le traitement ultérieur.

Les résultats expérimentaux indiquent que :

(1) Lors de la décharge à faible courant, la génération de chaleur de la batterie n'est pas significative et il n'y a pas de fluctuation significative dans la courbe de décharge de la batterie à différentes basses températures.

(2) Lors de la décharge à basse température et à courant élevé, il y a une génération de chaleur importante dans la batterie, car la courbe de décharge de la batterie présente un état non linéaire avec des formes de vallée et de pic évidentes, et la tension de décharge fluctue considérablement.

En prenant comme exemple la décharge à courant constant de 70 A, lors de la décharge à 20 ℃ et 0 ℃, la courbe de décharge est relativement normale sans aucun pic de vallée. Lorsque la température ambiante est de -10 ℃, la courbe de décharge montre des vallées évidentes. Lorsque la température ambiante est de -20 ℃, la courbe de décharge montre des pics de vallée évidents. La tension aux deux extrémités de la batterie passe de 4,15 V avant décharge à 3,07 V, avec une chute de tension de 108 V. Par la suite, la tension commence à augmenter, atteignant un maximum de 3,35 V, puis commence à diminuer. Cela indique que lors d'une décharge à courant élevé à basse température, lors de la phase initiale de décharge, en raison de la basse température de la batterie, les substances actives de la batterie ne peuvent pas être pleinement utilisées, la polarisation des électrodes est sévère et la résistance interne du la batterie est haute.

Par conséquent, la tension de décharge de la batterie diminue rapidement pendant la phase initiale de décharge. Au fur et à mesure que la décharge progresse, en raison de la résistance interne élevée de la batterie, une grande quantité de chaleur est générée à l'intérieur de la batterie, provoquant une augmentation rapide de la température de la batterie, activant la partie du matériau actif de la batterie. Par conséquent, la tension de décharge de la batterie commence à augmenter. Lorsque la température de la batterie augmente, la résistance interne de la batterie commence à diminuer et la chaleur générée diminue. Lorsque la température ambiante reste à -20 ℃, la température de la batterie diminue et la tension de décharge de la batterie diminue également.

(3) Dans les environnements à basse température, à mesure que le courant de décharge augmente, les performances de la batterie s'améliorent de manière plus significative après avoir été chauffées. Par conséquent, on peut voir qu'à basse température, si la batterie d'alimentation est préchauffée, compter sur la chaleur générée pendant le fonctionnement de la batterie peut pleinement maintenir les performances de la batterie.

3Conclusion

Lorsque le courant de charge et de décharge augmente, la température de la batterie augmente rapidement. Par conséquent, le taux de décharge de la batterie d'alimentation doit être contrôlé dans une certaine mesure, et il n'est pas conseillé de procéder à une décharge à taux élevé pendant une longue période. Dans des températures environnementales élevées ou une décharge à haut débit, une dissipation thermique correspondante doit être utilisée. Par conséquent, les véhicules électriques doivent installer un système de dissipation thermique de la batterie pour contrôler la température de la batterie dans une plage raisonnable.

Dans les environnements à basse température, la chaleur générée pendant la décharge de la batterie peut être utilisée pour améliorer les performances à basse température de la batterie. Lors de la conception d'un système de chauffage de batterie, cette fonctionnalité peut être utilisée en considérant simplement le préchauffage de la batterie.