Test de résistance des batteries Li-ion pour l'aviation

Test de résistance des batteries Li-ion pour l'aviation

Les batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt sont un élément important des engins spatiaux et fournissent l'énergie nécessaire à la plupart des systèmes électroniques. Les performances des batteries lithium-ion ont une incidence directe sur la sécurité, la fluidité et la rentabilité du fonctionnement des engins spatiaux. Les exigences relatives aux performances des batteries dans les conditions aéronautiques peuvent être grossièrement divisées en trois points : une bonne stabilité de la température, une énergie spécifique élevée et une longue durée de vie. Par rapport aux autres batteries au lithium traditionnelles, les batteries au cobalt-ion présentent de nombreux avantages, tels qu'un fonctionnement fiable dans des environnements à basse température, une tension de sortie stable, une énergie spécifique élevée et des cycles multiples, répondant ainsi aux exigences des conditions extrêmes telles que celles de l'aérospatiale.

La taille de la résistance interne d'une batterie détermine directement sa capacité, et en même temps, la résistance interne d'une batterie détermine également son efficacité de fonctionnement. Dans l'utilisation réelle des batteries, la résistance interne des batteries lithium-ion varie constamment en fonction des températures ambiantes et des conditions SOC. Dans la recherche pratique, la combinaison de la courbe de variation de la résistance interne de la batterie permet d'estimer avec plus de précision l'état de charge réel de la batterie.

Des essais expérimentaux ont permis de constater que la résistance ohmique et la résistance de polarisation de la batterie au phosphate de fer augmentent progressivement pendant la charge et la décharge à mesure que la température diminue. La température est un facteur important qui affecte la résistance interne des batteries. La température ambiante a un impact significatif sur la capacité des batteries lithium-phosphate de fer. À basse température, la capacité diminue rapidement, tandis qu'à haute température, la capacité augmente rapidement. Cependant, le taux de changement est plus lent qu'à basse température.

Compte tenu de la sécurité des batteries aérospatiales utilisées et du manque de recherche sur les caractéristiques de résistance interne des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt par les chercheurs, il est nécessaire de tester la température des batteries lithium-ion aérospatiales. Cet article utilise 0-50 ℃ pour effectuer des tests de résistance interne sur les batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt, et utilise la méthode HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) pour tester les batteries ICP 45 Ah sous différentes températures environnementales et états SOC. Les changements de résistance interne des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt sous différentes températures environnementales et états de charge sont étudiés en détail.

1 Test

1.1 Sujets d'essai et équipement

La batterie expérimentale utilisée est une batterie lithium-ion ICP 45 à oxyde de cobalt. La capacité nominale de la batterie est de 45 Ah et le matériau de l'électrode positive est de l'oxyde de cobalt lithium. Équipement de charge et de décharge de la batterie. La boîte à température constante adopte la chambre d'essai température-humidité DGBELL.

1.2 Test HPPC et méthode de calcul de la résistance interne

Il existe de nombreuses méthodes pour tester la résistance interne des batteries au lithium, notamment la méthode de la courbe caractéristique du voltampère, la méthode de la tension en circuit ouvert, la méthode de la caractéristique de la puissance d'impulsion mixte (HPPC) et la méthode de l'impédance CA. Cet article utilise la méthode HPPC pour tester la résistance des batteries au lithium, qui est enregistrée dans le projet Freedom CAR "Power Assisted Hybrid Vehicle Power Battery Test Manual" aux États-Unis. Comparée à d'autres méthodes de détection de la résistance interne, cette méthode présente des avantages significatifs en termes de précision et d'efficacité de la détection. La méthode HPPC peut être utilisée pour mesurer la résistance de polarisation et la résistance ohmique des batteries dans différents états.

Tout d'abord, une impulsion de courant de décharge est appliquée aux deux extrémités de la batterie, et la tension chute jusqu'à U 1 au moment du chargement de l'impulsion, puis la tendance à la baisse ralentit. Après 10 secondes de maintien du courant, la charge d'impulsion est annulée à l'instant t 2, et la tension se rétablit instantanément à U 3. Après 40 secondes d'attente, la tension se stabilise à U 4. Le processus progressif de U 2 à U 3 provient de la résistance ohmique interne de la batterie, tandis que le processus progressif de U 3 à U 4 est une baisse de tension de part et d'autre de la résistance de polarisation, et la tension tend à se stabiliser à U 4. Le HPPC calcule la résistance ohmique et la résistance de polarisation d'une batterie en testant les changements de tension pendant la phase initiale de la charge de courant. En mesurant la tension lors de l'expérience de décharge, on calcule la résistance interne de charge et de décharge sous différents états de charge.

1.3 Étapes du test

Étape 1 : Activer la batterie à l'oxyde de lithium et de cobalt par des expériences de charge et de décharge cycliques. La tension limite supérieure du PIC 45 est de 4,15 V et la tension hors ligne est de 3,0 V. Effectuez trois cycles de charge et de décharge, en chargeant à une vitesse de 0,2 C et en déchargeant à une vitesse de 0,1 C. Après chaque charge ou décharge, laissez reposer pendant 12 heures ;

Étape 2 : Commencez à décharger la batterie ICP 45 100 % SOC à une vitesse de 0,5 C et notez le temps de décharge. Après 12 minutes de décharge (les 90 % restants de l'état de charge de la batterie sont laissés au repos pendant 1 heure), commencez à tester les caractéristiques de puissance à impulsions mixtes et enregistrez la tension en circuit ouvert, le courant de décharge OCV et le temps ;

Étape 3 : Répétez les étapes de la deuxième étape, enregistrez la tension en circuit ouvert et le courant de décharge de la batterie à 90 %, 80 %, 70 %, 60 %, 50 %, 40 %, 30 %, 20 %, 10 % et 0 % à différents SOC, et calculez la résistance ohmique et la résistance de polarisation ; Étape 4 : Éteignez la charge électronique et l'alimentation de charge, déconnectez le relais et enregistrez les données dans une feuille de calcul Excel.

2 Résultats des tests et analyse

2.1 Analyse des caractéristiques de la résistance interne ohmique

La résistance interne des batteries au lithium-oxyde de cobalt est composée de la résistance interne ohmique et de la résistance interne de polarisation. L'analyse des données expérimentales permet de conclure qu'à mesure que la température diminue, la résistance interne ohmique augmente continuellement. La raison principale est que la résistance interne ohmique des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt est principalement composée de l'électrolyte, des connecteurs électriques et des électrodes positives et négatives. Lorsque la température ambiante est basse, la solubilité des ions lithium dans l'électrolyte à l'intérieur de la batterie lithium-ion à l'oxyde de cobalt diminue rapidement, ce qui entraîne la précipitation des ions lithium dans l'électrolyte, la réduction de la concentration des ions lithium par unité de volume, le ralentissement de la vitesse de diffusion des ions lithium dans l'électrolyte et l'augmentation de la résistance ohmique interne de la batterie.

Nous avons comparé les caractéristiques de variation de la résistance interne ohmique avec le SOC à 0, 10, 20, 30 ℃ et 50 ℃, et avons constaté que le SOC des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt varie lentement dans la plage de fonctionnement de (20 %, 100 %) à des températures ambiantes supérieures à 20 ℃. Par exemple, dans des conditions de 30 ℃, la résistance interne ohmique des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt reste stable à 0,7 m Ω en fonctionnement normal. Par conséquent, la résistance interne ohmique de la batterie dans cette plage de température à SOC (20 %, 100 %) peut être considérée comme une valeur constante.

La résistance interne ohmique est extrêmement sensible aux changements de température environnementale, et lorsque la température est inférieure à 10 ℃, la résistance interne ohmique de la batterie change de manière significative avec le SOC de la batterie. Lorsque l'état de charge de la batterie est élevé, le mouvement des ions à l'intérieur de la batterie est plus actif, ce qui compense la diminution de l'activité de l'électrolyte et a un impact plus faible sur la résistance ohmique. Mais lorsque le SOC de la batterie diminue, l'énergie ionique interne de la batterie diminue également, ce qui entraîne une augmentation rapide de la résistance ohmique. Les deux courbes de 10 ℃ et 0 ℃ montrent qu'à mesure que la température diminue, la résistance ohmique interne augmente plus rapidement avec l'augmentation du SOC de la batterie.

2.2 Analyse des caractéristiques de la résistance interne de polarisation et de la résistance interne totale

Nous pouvons conclure que la résistance de polarisation des batteries est principalement affectée par la température, ce qui est lié au ralentissement du taux de diffusion de la concentration à basse température. À 0 ℃, la résistance de polarisation de la batterie est presque trois fois supérieure à celle de 50 ℃ dans les mêmes conditions. À la même température, la résistance de polarisation de la batterie varie très peu, en particulier lorsque le SOC se situe dans la plage (20 %, 90 %), et la résistance de polarisation de la batterie peut être considérée comme une valeur constante.

La résistance de polarisation des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt augmente avec la diminution de l'état de charge de la batterie dans la plage (0 %, 20 %). La résistance interne de polarisation des batteries lithium-ion à l'oxyde de cobalt augmente avec la diminution de la température. En effet, l'activité du lithium dissocié en aval de la batterie lithium-ion à l'oxyde de cobalt diminue à basse température, ce qui rend difficile la désintercalation à l'électrode négative, d'où une augmentation de la résistance interne de polarisation de la batterie. Lorsque la température est élevée, l'énergie des ions lithium dans l'électrode négative de la batterie est élevée, ce qui accélère la vitesse de diffusion des ions

Lorsque le SOC est compris entre 0 % et 20 %, la résistance ohmique et la résistance de polarisation des batteries lithium-ion augmentent progressivement avec la diminution du SOC. Cependant, l'augmentation de la résistance interne ohmique à mesure que le SOC diminue est significativement plus importante que celle de la résistance interne de polarisation, ce qui indique que la résistance interne ohmique est plus sensible au SOC de la batterie. Dans le même état de charge, la résistance de polarisation et la résistance ohmique augmentent progressivement avec la diminution de la température. L'analyse des données montre que l'amplitude de l'augmentation de la résistance de polarisation avec la diminution de la température est significativement plus grande que celle de la résistance ohmique, ce qui indique que la résistance de polarisation est plus sensible aux basses températures.

Lorsque la température est basse, la résistance interne de polarisation de la batterie est relativement élevée, mais elle ne représente qu'un quart de la résistance interne totale de la batterie, et son impact sur la capacité et l'efficacité de la batterie est relativement limité. Bien que la résistance de polarisation de la batterie augmente de plus de deux fois à basse température par rapport à la température ambiante, comparée à d'autres résistances, en particulier les batteries lithium-fer phosphate ou plomb-acide, la résistance de polarisation des batteries lithium-fer à l'oxyde de cobalt présente encore une bonne stabilité de température.

L'analyse de la relation entre la résistance interne de la batterie et le SOC permet de conclure que dans la plage de SOC (0 %, 20 %), la résistance interne totale de la batterie augmentera avec la diminution du SOC de la batterie. Une résistance interne élevée entraînera une augmentation de la production de chaleur de la batterie et réduira sa durée de vie. Une mauvaise utilisation entraînera une décharge excessive de la batterie et la rendra inutilisable. Par conséquent, afin de prolonger la durée de vie de la batterie, il est conseillé de la maintenir en fonctionnement dans une plage d'état de charge comprise entre 30 % et 100 %.

L'analyse de la relation entre la température et la résistance interne de la batterie permet de conclure que la résistance interne de la batterie augmente avec la baisse de la température et qu'une augmentation de la résistance interne de la batterie entraîne une diminution de la capacité de la batterie. Afin de garantir l'efficacité de la batterie, il est conseillé de maintenir le fonctionnement de la batterie au-dessus de 10 ℃ autant que possible. Lorsque la température est inférieure à 10 ℃, afin d'éviter l'impact d'un environnement à basse température sur l'efficacité de la batterie, il est nécessaire de chauffer le bloc-batterie avant de démarrer la batterie. Étant donné que la batterie génère de la chaleur pendant le fonctionnement, il n'est pas nécessaire de chauffer la batterie pendant le fonctionnement.

3 Conclusion

Cet article mène des expériences sur des batteries d'aviation à l'oxyde de cobalt et de lithium, analyse les changements de la résistance ohmique et de la résistance interne de polarisation des batteries à différents SOC et températures, et résume les raisons des changements correspondants. La résistance de polarisation et la résistance ohmique des batteries lithium-ion avec acide de forage augmentent avec la diminution de la température. La résistance de polarisation est plus sensible à la température, tandis que la résistance ohmique sera affectée par la température et le SOC. La résistance de polarisation des batteries lithium-oxyde de cobalt augmentant avec la baisse de la température, il est nécessaire de chauffer le bloc-batterie à basse température pour améliorer la capacité et l'efficacité de la batterie.