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Test thermique sur batterie lithium-ion cylindrique

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Test thermique sur batterie lithium-ion cylindrique

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1 Batterie lithium-ion cylindrique
Les batteries au lithium-ion ont des spécifications et des dimensions externes variées, de sorte que la mesure des paramètres de performance thermique des batteries au lithium fait appel à de multiples méthodes et équipements d'essai. Nous avons d'abord choisi de mener des recherches sur les essais de performance thermique des batteries lithium-ion cylindriques, en particulier sur la technologie d'essai de conductivité thermique radiale pour les batteries lithium-ion cylindriques, principalement pour les raisons suivantes :



(1) Les batteries lithium-ion cylindriques sont actuellement l'un des types de batteries les plus courants et ont un large éventail d'applications. Toutefois, la technologie d'essai de conductivité thermique radiale pour les batteries lithium-ion cylindriques n'est pas encore au point et en est encore à ses balbutiements, tant au niveau national qu'international. Les diverses méthodes d'essai rapportées comportent des erreurs significatives et ne peuvent répondre aux besoins de la modélisation et de la gestion thermique des batteries.



(2) La structure cylindrique des batteries au lithium est très particulière, notamment parce qu'elle ne comporte qu'une seule surface circonférentielle dans la direction radiale. Lors de la réalisation d'essais de performance thermique sans endommager la batterie, une seule surface extérieure circonférentielle peut être utilisée pour générer les conditions limites d'essai correspondantes. Il s'agit souvent de l'essai le plus difficile dans la technologie d'essai des paramètres de performance thermique. Si les essais des paramètres de performance thermique peuvent être réalisés dans la direction radiale des piles cylindriques avec une précision de mesure satisfaisante, la technologie d'essai peut être facilement promue et appliquée aux piles prismatiques et aux piles à poche.



(3) La chaleur d'auto-échauffement dans les batteries lithium-ion cylindriques est généralement la plus faible, inférieure à celle des batteries prismatiques et à poche. De même, si la méthode d'essai étudiée permet d'obtenir une précision de mesure satisfaisante sur les piles au lithium cylindriques à faible chaleur, elle peut permettre d'obtenir une plus grande précision de mesure sur les piles prismatiques et les piles à poche à forte chaleur.



(4) En outre, grâce à la recherche sur la technologie d'essai de conductivité thermique radiale pour les piles au lithium-ion cylindriques, des efforts peuvent être faits pour parvenir à la multifonctionnalité, à la modularité, à la rapidité et au faible coût des instruments d'essai de performance thermique des piles au lithium-ion.



Cet article se concentre spécifiquement sur la conductivité thermique radiale des batteries lithium-ion cylindriques et mène des recherches sur les méthodes d'essai. Il établit des modèles d'essai correspondants à température constante dans les conditions limites des batteries non destructives et uniquement sur la surface extérieure de la circonférence de la batterie, et vérifie la précision du modèle d'essai et des expressions explicatives par le biais d'une simulation par éléments finis. Il devrait fournir des orientations efficaces pour la conception d'instruments d'essai.



2 Modèle analytique pour les essais thermiques
D'après la structure interne et la direction du transfert de chaleur des piles au lithium cylindriques, le mode de transfert de chaleur radial des piles au lithium cylindriques est un mode de diffusion circonférentiel radial typique. Par conséquent, les coordonnées cylindriques sont utilisées pour décrire le modèle d'essai des piles cylindriques, alors que d'autres formes de modèles d'essai ne peuvent pas décrire avec précision le mode de transfert de chaleur des piles cylindriques. Pour une batterie au lithium cylindrique d'un rayon R et d'une hauteur H, les conditions limites pour l'essai de conductivité thermique radiale ne peuvent se produire que sur la surface extérieure de la circonférence à r=R.



Si nous supposons que les faces d'extrémité supérieure et inférieure d'une pile cylindrique sont des surfaces adiabatiques, les conditions limites sur la surface extérieure de la pile ne sont pas différentes des trois types de conditions limites dans le transfert de chaleur, à savoir la température constante, le chauffage linéaire et la température alternée. En raison de la taille relativement importante de la batterie testée et de la difficulté de mettre en œuvre et d'analyser la condition limite du troisième type (température alternée), qui est très complexe, nous n'avons mené des recherches sur les méthodes d'essai correspondantes que pour les conditions limites des premier et deuxième types (température constante et chauffage linéaire).



La chaleur ne circule que radialement et la distribution de la température est unidimensionnelle dans l'espace. Le flux de chaleur est également unidimensionnel et l'on suppose que le coefficient de transfert de chaleur radial est uniforme et indépendant de la température dans une petite plage de température.



2.1. Essai à température constante
Le premier type de condition limite est une température de surface constante, ce qui signifie que pendant le processus d'essai, une batterie ayant une température initiale de T0 est soudainement placée dans un environnement ayant une température de Ts, et la température de cet environnement doit être supérieure à la température initiale de T0 et rester constante. En conséquence, la chaleur est transférée radialement à travers la batterie, et les deux extrémités de la batterie sont dans un état adiabatique.



2.2 Essai d'augmentation linéaire de la température
Le deuxième type de condition limite est une augmentation linéaire de la température de surface, ce qui signifie que pendant le processus d'essai, une quantité constante de chaleur est appliquée à la surface extérieure de la batterie pour la chauffer, et on suppose que la chaleur constante ne sera pas perdue avec le temps tout au long du processus de chauffage. En outre, en raison de la structure axisymétrique des piles cylindriques, le chauffage des côtés autour de la pile entraînera un état adiabatique le long de l'axe de la pile.



3 Conclusion
Des recherches spéciales ont été menées sur la technologie d'essai de conductivité thermique radiale pour les batteries lithium-ion cylindriques, et une méthode d'essai simple et facile à utiliser a été établie. La méthode d'essai a été validée à l'aide d'une simulation par éléments finis, et les conclusions suivantes ont été tirées de l'ensemble du travail de recherche :



(1) Un modèle d'essai à température constante et une méthode d'essai correspondante ont été établis pour la conductivité thermique radiale des batteries lithium-ion cylindriques. La simulation par éléments finis a prouvé que cette méthode d'essai a une grande précision de mesure et peut être pleinement appliquée dans les essais pratiques, ce qui est d'une grande importance pour les essais de performance thermique des batteries lithium-ion.



(2) La méthode d'essai établie permet d'obtenir les valeurs de conductivité thermique radiale, de diffusivité thermique radiale et de capacité thermique spécifique par le biais d'un seul essai de chauffage. Il est également possible de mesurer les paramètres de performance thermique sur une large plage de températures en fonction de la température, et même de mesurer la performance thermique tout au long du processus de transition de phase.



(3) La méthode d'essai isotherme établie a fondamentalement acquis la fonction du calorimètre adiabatique accéléré couramment utilisé, qui peut remplacer et compléter le calorimètre adiabatique accéléré pour détecter l'emballement thermique des batteries.



(4) La méthode d'essai établie est simple et facile à mettre en œuvre, avec des opérations expérimentales pratiques, ce qui la rend très appropriée pour charger d'autres variables dans l'évaluation des performances des batteries, telles que les essais de performance thermique pendant les processus de charge et de décharge des batteries.



(5) L'avancée de la méthode d'essai de conductivité thermique radiale pour les piles au lithium cylindriques peut être étendue aux essais de performance thermique d'autres spécifications de piles au lithium-ion en utilisant des méthodes d'essai à température constante et à courant constant. Différentes conditions et directions de chargement peuvent être utilisées pour tester la performance thermique des batteries au lithium.



(6) Le principe de la méthode d'essai à température constante étudiée est simple et les conditions limites sont faciles à mettre en œuvre, ce qui est très propice à l'instrumentation et à la modularisation, ainsi qu'à l'intégration avec d'autres instruments d'essai.