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Test de basse température de la batterie lithium EV

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Test de basse température de la batterie lithium EV

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Avec le développement continu de la technologie des batteries de puissance, les batteries lithium-fer-phosphate sont reconnues comme la source d'énergie électrochimique la plus prometteuse en raison de leur haute sécurité, de leur longue durée de vie, de leur haute densité énergétique et de leur plate-forme à haute tension. Les batteries d'alimentation sont la source directe d'énergie pour les véhicules électriques et un composant essentiel de ces derniers. En l'absence de percées significatives dans la technologie des batteries dans un court laps de temps, l'exploration et l'amélioration des performances des batteries dans la mesure du possible sont devenues des axes de recherche essentiels.

La température de la batterie est un facteur important qui influe sur les performances des batteries d'alimentation. Les batteries au lithium fer phosphate ont d'excellentes performances à température ambiante. Lorsque la batterie lithium-ion fonctionne à une température inférieure à 0 ℃, ses performances de décharge se détériorent considérablement. Au fur et à mesure que le cycle de charge et de décharge progresse, la capacité de la batterie subit une dégradation irréversible. Dans l'étude des caractéristiques et du mécanisme des batteries lithium-ion à basse température, une température trop basse peut entraîner la cristallisation des électrolytes liquides, ce qui ralentit le taux de migration des ions lithium entre les électrodes positives et négatives, entraînant de moins bonnes caractéristiques de charge et de décharge à basse température des batteries lithium-ion.

En ce qui concerne l'analyse des performances à basse température des batteries lithium-ion, les chercheurs nationaux et étrangers ont mené des recherches approfondies, y compris l'analyse des premiers principes, l'analyse de la spectroscopie d'impédance électrochimique et l'analyse des performances de charge et de décharge. L'établissement d'un modèle thermique pour les batteries lithium-fer-phosphate est une méthode importante pour étudier leurs caractéristiques à basse température. Actuellement, il existe trois principaux types de modèles thermiques pour les batteries lithium-ion, à savoir le modèle de couplage électrothermique, le modèle de couplage thermique électrochimique et le modèle d'abus thermique.

Cet article se concentre sur l'analyse des performances à basse température des batteries au phosphate de fer lithié et sur la simulation des modèles thermiques des batteries, en mettant l'accent sur les performances à basse température des batteries électriques au phosphate de fer lithié. L'objectif est d'obtenir de manière systématique et complète les caractéristiques à basse température des batteries lithium-fer-phosphate, en fournissant une base théorique pour leur application dans le domaine des véhicules électriques.

1 Essai à basse température et analyse des caractéristiques dynamiques

1.1 Conception de l'essai pour les performances à basse température des batteries

Les étapes expérimentales comprennent principalement deux parties : l'essai de capacité standard à différentes températures et l'essai des caractéristiques dynamiques. Les étapes expérimentales peuvent être résumées comme suit :

(1) Sélectionner une batterie individuelle neuve comme objet expérimental et la placer dans une chambre de température. Régler la température à la température ambiante de 25℃, la laisser reposer pendant 2 heures, et utiliser une décharge à courant constant de 1 C pour décharger la batterie jusqu'à la tension de coupure de 2,5 V

(2) Régler la température de l'incubateur à la valeur de la température expérimentale correspondante, laisser reposer pendant 2 heures et effectuer un essai de capacité standard sur la batterie. L'essai de capacité standard comprend deux étapes : charge à courant constant et tension constante (CCCV, courant constant et tension constante, courant constant 0,5 C, tension constante 3,65 V, courant de coupure 0,01 C), et décharge à courant constant 1 C avec une tension de coupure de 2,5 V. Cette étape permet d'obtenir la capacité de charge de la batterie. Cette étape permet d'obtenir la capacité de charge et de décharge de la batterie à la température ambiante actuelle ;

(3) Régler la température de l'incubateur à la température ambiante de 25 ℃, laisser reposer pendant 2 heures et utiliser la méthode de charge à courant constant et tension constante (CCCV, courant constant 0,5 C, tension constante 3,65 V, courant de coupure 0,01 C) pour charger complètement la batterie

(4) Pour comparer les performances de la batterie à différentes températures, les étapes expérimentales ci-dessus ont été répétées à -15, 0, 10, 25 et 40 ℃, respectivement.

Une plate-forme expérimentale d'essai des performances des batteries lithium-ion à basse température, comprenant spécifiquement une chambre à haute et basse température pour le contrôle de la température dans l'environnement expérimental : un système d'essai de batterie pour l'essai des performances de la batterie ; une batterie à cellule unique au phosphate de fer lithié, en tant qu'objet testé ; un logiciel informatique supérieur, utilisé pour la programmation de la méthode d'essai de batterie personnalisée et l'enregistrement des données d'essai de la batterie. La batterie unicellulaire utilisée dans l'expérience est une batterie lithium-fer-phosphate souple d'une capacité nominale de 40 Ah.

1.2 Caractéristiques dynamiques à basse température

Sur la base des données expérimentales relatives aux performances des batteries à basse température, nous obtenons les courbes de charge et de décharge des batteries lithium-phosphate de fer à différentes températures. La charge de la batterie adopte une méthode de charge à courant constant et tension constante. Le courant de charge dans la phase de courant constant est de 0,5 C, et la tension de charge dans la phase de tension constante est de 3,65 V. Lorsque le courant de charge est inférieur à 0,01 C, la charge s'arrête. La décharge de la batterie adopte une décharge à courant constant de 1 C et s'arrête lorsque la tension aux bornes de la batterie tombe à 2,50 V. On peut constater que les caractéristiques de charge et de décharge d'une batterie sont fortement influencées par la température. Plus la température est basse, plus les caractéristiques de charge et de décharge de la batterie sont abruptes et plus la capacité de charge et de décharge disponible de la batterie est faible.

Analyse quantitative des courbes de charge et de décharge des batteries lithium-fer-phosphate pour obtenir les plages de charge et de décharge disponibles pour les batteries à différentes températures. On constate que plus la température est basse, plus la plage de charge et de décharge disponible de la batterie est réduite. Lorsque la batterie fonctionne à une température ambiante de -15 ℃, la plage de charge et de décharge disponible de la batterie ne représente que 22,2 % de la capacité nominale, ce qui ne permet plus de répondre aux exigences de fonctionnement normales de la batterie de puissance. En outre, lorsque la batterie fonctionne à 40 ℃, la limite rechargeable maximale mesurée de la batterie peut atteindre 110 %. En effet, plus la température est élevée, plus l'énergie libre de Gibbs de la réaction électrochimique dans la batterie est importante, plus le travail électrique effectué est important et plus la capacité rechargeable correspondante est élevée.

Il convient de noter que le SOC est une quantité relative qui doit être définie à l'avance. Cet article le définit comme suit : en utilisant la méthode de décharge à courant constant de 0,01 C, la batterie est déchargée à 2,50 V, et l'état à la tension de coupure est défini comme 0% SOC ; en utilisant la méthode de charge à courant constant et tension constante (CCCV, courant constant de 0,5 C, tension constante de 3,65 V, courant de coupure de 0,01 C), l'état de la batterie lorsqu'elle est chargée au courant de coupure de 0,01 C est défini comme 100% SOC ; Les définitions ci-dessus sont toutes effectuées à la température ambiante de 25 ℃.

2 Identification des paramètres du modèle thermique

2.1 Identification des paramètres thermophysiques de la batterie

Sur la base du modèle de batterie, identifier les paramètres du modèle par des expériences de charge et de décharge de la batterie. Pendant l'expérience, en plaçant la batterie dans un environnement de 20 ℃, on peut approximativement supposer qu'il n'y a qu'un transfert de chaleur par convection naturelle à la surface de la batterie. Les expériences de charge et de décharge ont été menées à 1 C, 1,5 C, 2 C et 2,5 C, avec des tensions de coupure de 3,65 et 250 V, respectivement. La réaction de charge d'une batterie est un processus endothermique, tandis que la réaction de décharge est un processus exothermique. Comme les valeurs absolues de la chaleur de réaction pendant les processus de charge et de décharge sont les mêmes, seul le processus de décharge est analysé.

Le graphique de la courbe de la température de la surface de la batterie en fonction du temps à différents taux de décharge. On peut constater que les valeurs de mesure de la température présentent de légères fluctuations, qui sont principalement dues à la haute sensibilité de l'imageur thermique, aux points d'échantillonnage multiples et à l'influence de la lumière ambiante. Ces petites fluctuations n'affectent pas la tendance générale des changements de température. En utilisant des méthodes numériques pour calculer les pentes de chaque courbe, les pentes des quatre courbes peuvent être ajustées sur une ligne droite et, selon la formule, la capacité thermique spécifique de la batterie C=-0,00333 peut être calculée.

2.2 Identification de la résistance interne de la batterie

La chaleur Joule causée par la résistance interne de la batterie étant la principale source de chaleur, il est nécessaire d'identifier les valeurs de résistance interne de la batterie à différentes températures afin d'analyser en profondeur la chaleur Joule pendant le processus de réaction de la batterie. Effectuez un test caractéristique de puissance d'impulsion hybride (HPPC) sur la batterie tous les 10 % SOC à des températures expérimentales de -15, 0, 10, 25 et 40 ℃.

Sur la base des données d'essai, l'algorithme des moindres carrés est utilisé pour identifier la résistance interne de la batterie à chaque point d'essai. À différentes températures, la courbe de relation entre la valeur de la résistance interne de la batterie et le SOC a été identifiée. On constate que la température ambiante a un impact significatif sur la résistance interne de la batterie, et que plus la température ambiante est basse, plus la résistance interne de la batterie est élevée.

3 Simulation du modèle thermique

3.1 Vérification du modèle thermique de la batterie

Afin de vérifier la précision du modèle, il a été validé par des expériences de température basées sur la structure du modèle thermique de la batterie et les paramètres du modèle décrits ci-dessus. L'expérience a été menée à une température ambiante de 24,8 ℃. Pendant l'expérience, la batterie a été déchargée à un taux de décharge de 0,5 C, et la température au centre de la surface de la batterie a été recueillie en temps réel à l'aide d'un capteur de température à résistance de platine de haute précision.

Le modèle thermique de la batterie est très précis et peut simuler le processus réel de réaction de génération de chaleur de la batterie. Au fur et à mesure de la réaction de décharge de la batterie, la température au centre de la surface de la batterie augmente progressivement. En raison de la présence d'un transfert de chaleur par convection naturelle, la température au centre de la surface de la batterie atteint progressivement une tendance stable au fil du temps.

3.2 Caractéristiques thermophysiques à basse température

Carte de distribution de la température de surface simulée de la batterie lors d'une décharge à un taux de 0,5 C jusqu'à une tension de coupure de 2,5 V sous différentes températures ambiantes. On peut constater qu'en raison de l'effet de génération de chaleur pendant le processus de réaction électrochimique, la température de surface de la batterie est plus élevée que la température ambiante, et la température minimale de la surface de la batterie présente également des différences significatives à différentes températures ambiantes. Ce phénomène s'explique par le fait qu'à mesure que la température diminue, la résistance interne de la batterie augmente selon un schéma exponentiel approximatif.

À des températures ambiantes plus basses, la résistance interne de la batterie augmente de manière significative. Lorsque le même taux de réaction de décharge se produit à l'intérieur de la batterie, le phénomène de génération de chaleur dû à la résistance interne augmente considérablement. Par conséquent, selon les conditions limites du transfert de chaleur par convection dans les batteries, la température de surface de la batterie sera plus élevée que la température ambiante.

Parallèlement, on peut constater que la température dans la partie supérieure de la batterie, en particulier au niveau de l'oreille polaire, a considérablement augmenté par rapport aux autres parties, et qu'il existe un gradient de température important de l'oreille polaire vers le bas de la batterie. Ce phénomène est principalement déterminé par les propriétés physiques thermiques du matériau de la batterie. La cellule de la batterie est composée de divers matériaux anisotropes, et les électrodes positives et négatives de la batterie sont faites respectivement d'aluminium et de nickel. Lorsque le courant traverse les électrodes, la section transversale diminue considérablement et la résistance interne augmente fortement. L'effet thermique de la résistance interne au niveau des oreilles d'électrodes est nettement plus élevé que celui du cœur de la batterie. Par conséquent, dans le processus de réaction électrochimique de la batterie, la grande majorité de la chaleur est générée au niveau des oreilles des électrodes, et la chaleur est transférée des oreilles des électrodes à la cellule par conduction thermique, formant ainsi un gradient de température évident.

4 Conclusion

Cet article étudie les caractéristiques à basse température des batteries au lithium-phosphate de fer pour les véhicules électriques. Tout d'abord, des expériences sur les performances des batteries à basse température ont été conçues et réalisées. Les résultats expérimentaux ont montré que les caractéristiques de charge et de décharge des batteries sont fortement influencées par la température. Plus la température est basse, plus les caractéristiques de charge et de décharge des batteries sont abruptes et plus la capacité de charge et de décharge disponible des batteries est faible. Ensuite, un modèle thermique et une méthode d'identification des paramètres à basse température pour les batteries au phosphate de fer lithié ont été établis. Enfin, une étude de simulation a été menée sur le modèle thermique des batteries au phosphate de fer-lithium.

Les résultats de la simulation montrent que le modèle thermique de batterie proposé dans cet article est très précis et peut simuler le processus réel de réaction de génération de chaleur de la batterie. Dans le processus de réaction électrochimique des batteries, la grande majorité de la chaleur est générée au niveau des oreilles des électrodes, et la chaleur est transférée des oreilles des électrodes à la cellule par conduction thermique, formant un gradient de température significatif. Lorsque la température ambiante diminue, la différence de température entre la surface de la batterie et la température ambiante s'accroît, et le gradient de température dans la partie inférieure de la surface de la batterie augmente progressivement.