איזון בין ביצועים ובטיחות: ניתוח מקיף של המאפיינים התרמיים של פריקת טעינה של חבילת סוללות ליתיום יון 48V

מאמר זה משתמש ב-25 צמדים תרמיים כדי לחקור באופן ניסיוני את התפלגות הטמפרטורה וההתנהגות של ערכת סוללות 48V ליתיום-יון (Li ion) במהלך שני מחזורי פריקת טעינה. התוצאות מצביעות על כך שהעברת חום הסעה טובה יותר מתרחשת על פני השטח החיצוניים של האריזה, בעוד שהסוללה האמצעית מגיעה לטמפרטורה המקסימלית שלה. הבדלים נצפו גם בהתנהגות של שלושת המודולים. מחזור הפריקה מראה עלייה בטמפרטורה של 5.8 מעלות צלזיוס, ושיפוע הטמפרטורה של ערכת הסוללות עולה מ-1.3 מעלות צלזיוס ל-2.7 מעלות צלזיוס. מחקר זה מדגיש את החשיבות של הערכת ההתנהגות התרמית של כל מודול ואת המורכבות של ליתיום-יון מערכות ערכת סוללות. באותו מחקר, גילויים על סוללות, מודולים ומארזי סוללות יכולים לספק תובנות חשובות לתכנון מערכות קירור יעילות עבור ערכות סוללות ליתיום-יון.

1. הקדמה

סוללות ליתיום יון:סוללות ליתיום-יון נטענות נחשבות להתקני אחסון אנרגיה מתאימים לכלי רכב היברידיים מתונים בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה, הספק ספציפי, קל משקל, קצב פריקה עצמית נמוך, יכולת מיחזור גבוהה ותוחלת חיים ארוכה. ב-13 השנים האחרונות, המחיר של סוללות ליתיום-יון ירד משמעותית. עם זאת, טמפרטורה גבוהה ופיזור טמפרטורה לא אחיד הן הבעיות העיקריות של סוללות ליתיום-יון, והטמפרטורה משחקת תפקיד חשוב במחזור החיים ובקיבולת האנרגיה שלהן.

חסרונות של מחקרים קודמים:מחקרים קודמים על ההתנהגות התרמית של סוללות ליתיום-יון בכלי רכב היברידיים קלים התמקדו בעיקר בסוללות בודדות או במארזי סוללות, ללא ניתוח מפורט של השפעת פרמטרים חיצוניים (כגון נוכחות של סוללות אחרות) על ההתנהגות התרמית של הסוללה. בנוסף, היקף המחקר על ההתנהגות התרמית של חבילות ליתיום-יון 48V מוגבל, ויש מחסור במחקרים ניסיוניים על פיזור הטמפרטורה המפורט של ערכת הסוללות כולה.

מטרת המחקר הזה:הוא לחקור באופן ניסיוני את ההתנהגות התרמית של ערכת סוללות ליתיום-יון 48V באמצעות שני מחזורי פריקה שלמים. באמצעות 25 צמדים תרמיים למדידה במקומות שונים בחבילת הסוללות, אנו מקווים לספק תובנות חשובות לגבי יצירת החום של ערכת הסוללות ולעזור לבחור את מערכת קירור הסוללה המתאימה.

2. קביעה נסיונית

פרמטרים של סוללת ליתיום יון:סוללות ליתיום יון מורכבות בדרך כלל מאנודה, קתודה, אלקטרוליט וקולטן זרם. סוללות גליליות, מנסרות וצורת פאוץ' משמשות בתעשיית הרכב, ועיצובים מנסרים יכולים לשפר את ניצול החלל והגמישות. מחקר זה השתמש בסוללת ליתיום-יון NCM פריזמטית עם קיבולת נומינלית של 8.23Ah. מארז הסוללות מורכב מ-36 סוללות המחוברות בתצורת 12s3p, שיש לה יתרונות של התקנה קלה, מודולריות, בטיחות וקומפקטיות, השפעה מינימלית על משקל הרכב וחסכוניות גבוהה.

פריסה נסיונית:מכשיר הבדיקה הניסיוני כולל ערכת סוללות, סימולטור סוללות AVL זרם גבוה במתח גבוה הנשלט על ידי מערכת AVL PUMA, חיישן טמפרטורה מסוג K עם שני מודולים לאיסוף נתונים (ES620 ETAS), ויחידת מחשב לניטור ואחסון נתונים. השתמש ב-25 צמדים תרמיים כדי לנטר את הטמפרטורה של הסוללה, כאשר נקודות המדידה ממוקמות בשלושת המודולים של ערכת הסוללות. צמדים תרמיים עוזרים לזהות שינויי טמפרטורה בין המסוף החיובי והשלילי של אותה סוללה.

מחזורי טעינה ופריקה:שני מבחני מחזור טעינה ופריקה מלאים נערכו עם טמפרטורות ומצבי טעינה ראשוניים (SoC) של 26 מעלות צלזיוס ו-47%, בהתאמה. הזרמים המקסימליים והמינימליים היו 237A ו--237A, בהתאמה. ה-SoC הגיע פי שניים מהערכים הגבוהים והנמוכים ביותר, כלומר 91% ו-10%, והבדיקה הסתיימה כאשר ה-SoC הגיע לערך ההתחלתי. כדי למנוע כשל תרמי של ערכת הסוללות בטמפרטורות גבוהות, הבדיקה הופסקה כאשר הטמפרטורה הגיעה ל-40 מעלות צלזיוס. במחקר זה, גבול הטמפרטורה הושג בסוף המחזור השני.

רקע תיאורטי:השפעת הטמפרטורה של סוללות קשורה לחומרים פנימיים ולתגובות כימיות. היצור התרמי של סוללות ליתיום-יון בטמפרטורות רגילות קשור להעברת מטען ותגובות כימיות במהלך תהליכי טעינה ופריקה. ייצור תרמי כולל תהליכים הפיכים (חום אנטרופיה) ותהליכים בלתי הפיכים. על פי חוקי התרמודינמיקה, התנהגות חולפת של חום שנוצר בתוך סוללה יכולה להוביל לשינויי טמפרטורה שונים. כדי לחקור את ההתנהגות התרמית של סוללות ליתיום-יון וחבילות סוללות, הוגדרו מוסכמות שמות ופרמטרים קשורים לטמפרטורה, כגון טמפרטורה מקסימלית, טמפרטורה מינימלית, הפרש טמפרטורה וטמפרטורה ממוצעת.

3. תוצאות

SOC ומתח

האיור שלהלן מציג את המתח, הזרם וה-SoC של ערכת הסוללות. זמן הבדיקה מחולק ל-8 חלקים של שני מחזורים, כאשר LD, EC, LC ו-ED מייצגים פריקה מאוחרת, טעינה מוקדמת, טעינה מאוחרת ושחרור מוקדם, בהתאמה. בחלק הראשון LD1, הזרם הוא -237A, וערכת הסוללה ומתח הסוללה יורדים; בסעיף EC1, הזרם הוא 237A, ה-SoC מגיע ל-33%, ומתח ערכת הסוללה עולה; בסעיף LC1, הזרם יורד ל-33A ומתח ערכת הסוללה עולה; בקטע ED1, הזרם הוא -237A, וה-SoC והמתח יורדים. במחזור השני, הזרם, ה-SoC והמתח של ערכת הסוללות הראו התפתחות זמן דומה לזה של המחזור הראשון, והמבחן הסתיים ב-2105 שניות.

חבילות סוללות ליתיום יון דורשות בדרך כלל תקופות ארוכות של זרם קבוע גבוה ביישומים מעשיים, כך ש-BMS יפחית את התפוקה כדי להבטיח בטיחות. האיור שלמעלה מציג ירידה פתאומית בגבול הזרם במהלך שלב הטעינה המאוחר עקב ניהול תרמי הסוללה.

ביצועים תרמיים

איור א מציג את היסטוריית זמן הטמפרטורה של 8 צמדים תרמיים במודול 1. הערכים של T1 ו-+12 היו באמצע טווח הטמפרטורות של המודול בתחילת הבדיקה, אך ירדו לנמוך ביותר בסוף הבדיקה מִבְחָן. T1 ו--01 היו שווים ל-Tmin בתחילת המחזור הראשון, והטמפרטורה של הסוללה באמצע המודול הייתה הגבוהה ביותר.

איור ב' מציג את התפלגות הטמפרטורה של מודול 2, כאשר T2, -12 הוא Tmin, T2,+01 היא הטמפרטורה השנייה הנמוכה ביותר, ו-T2,+04 הוא Tmax.

איור ג' מציג את התפלגות הטמפרטורה של מודול 3, כאשר T3, -01 הוא Tmin, T3,+12 היא הטמפרטורה השנייה הנמוכה ביותר, T3,+04, T3, -06, ו-T3, -07 הוא Tmax.

האיור שלהלן מציג את היסטוריית הזמן של הטמפרטורה הממוצעת, הטמפרטורה המקסימלית, הטמפרטורה המינימלית והפרש הטמפרטורה של ערכת הסוללות וכל מודול. הטריזה של ערכת הסוללות ב-EC1 וב-EC2 היא 1.6 מעלות צלזיוס ו-1.2 מעלות צלזיוס, בהתאמה. במהלך מחזור הפריקה המלא (שילוב של ED1 ו-LD2), ה-Trise הוא בערך 5.8 מעלות צלזיוס. ∆ T המקסימלי הוא 2.0 מעלות C ו-3.2 מעלות צלזיוס בסוף EC1 ו-EC2, בהתאמה, בעוד המינימום ∆ T הוא 1.3 מעלות צלזיוס ו-2.2 מעלות צלזיוס בסוף מחזור הטעינה המלא הראשון והשני, בהתאמה T יכול להתחלק להבדל בין Tmax ל-Tavg, וכן להבדל בין Tavg ל-Tmin. ההבדל בין Tavg ל-Tmin משתנה באופן ליניארי כאשר הזרם משתנה באופן משמעותי, בעוד שההבדל בין Tmax ל-Tavg רגיש לזרם ולא ליניארי.

4. דיון

מחקר סוללות:באותה סוללת ליתיום-יון, הטמפרטורה של המסוף החיובי גבוהה מזו של המסוף השלילי, עם הפרש טמפרטורות מרבי של כ-0.6 מעלות צלזיוס. תופעה זו הוזכרה גם בספרות. בנוסף, בסוף שני המחזורים, Tmin מופיע ב-T1,+12 ו-T1, -01 במודול 1, T2, -12 ו-T2,+01 במודול 2, ו-T3, -01 ו-T3,+12 במודול 3. זה מציין ש-Tmin מופיע בסוללה החיצונית של ערכת הסוללות, עקב העברת חום טובה יותר אפקט קירור על משטח גבול המודול בהשוואה לטמפרטורת הסביבה. וה-Tmax של כל מודול מופיע בסוללה האמצעית, אבל זה לא סימטרי, מה שמצביע על ההתנהגות הדינמית ועל אי אחידות הטמפרטורה של כל סוללה. תופעה זו ממחישה את המורכבות של מערכת דינמית זו ומדגישה את החשיבות של הערכת התנהגות הטמפרטורה של כל המודולים בחבילת הסוללות.

מחקר מודול:ה-Tavg של מודול 1 גבוה יותר מזה של ערכת הסוללות במחצית הראשונה של LDs, ECs, EDs ו-LCs, מה שמצביע על כך שמודול 1 רגיש יותר לזרמים גבוהים ממודולים אחרים, מייצר יותר חום, עולה מהר יותר בטמפרטורה, ומחליף חום טוב יותר ממודולים אחרים. זה מצביע על המורכבות של מערכת ערכת הסוללות, ויש ללמוד ולבדוק את ההתנהגות התרמית של כל מודול בנפרד.

מחקר על חבילות סוללות:בסוללות, מודולים וסוללות ליתיום-יון, הטמפרטורה תמיד עולה ב-EDs, LDs ו-ECs. לכן, Tmax מופיע לא רק באמצע LC1 ו-LC2, אלא גם בסוף EC1 ו-EC2. במילים אחרות, כאשר יש זרם גבוה, הטמפרטורה תעלה מכיוון שיותר יוני ליתיום צריכים לעבור דרך הממברנה וליצור יותר חום. לכן, בתחילת LCs, תהיה ירידה בטמפרטורה, ואחריה תצפית של התנהגות כמעט יציב של הטמפרטורה.

במהלך מחזור הפריקה השלם בין שני מחזורי טעינה, הטמפרטורה עולה באופן מונוטוני; בסך הכל, Trise עלה ב-5.8 מעלות צלזיוס מערכו ההתחלתי של 31.8 מעלות צלזיוס. בנוסף, ∆ T גם הראה את אותה מגמת עלייה מ-1.3 מעלות צלזיוס ל-2.7 מעלות צלזיוס. זאת בשל הזרם הגבוה המבוסס על משוואה (2) במהלך תקופה זו, כמו גם הרגישות של מודול 1 לזרם. בנוסף, דפוסי Trise בשני מחזורי הטעינה הראו מגמות דומות. בהתחלה הוא עולה, אחר כך יורד ולבסוף שומר על טמפרטורה כמעט קבועה. לכן, כאשר מופעל זרם גבוה יותר על ערכת הסוללות, יושגו Trise ו- ∆ T גבוהים יותר.

∆ T ניתן לחלק להפרש בין Tmax ל-Tavg, כמו גם להפרש בין Tavg ל-Tmin. Tmax רגיש מאוד להדרגות טמפרטורה ומשתנה לאורך זמן, בעוד Tmin פחות רגיש לשינויים בזרם. לכן, החלק החשוב ביותר בשינוי הטמפרטורה בחבילת הסוללות נובע מההתנהגות של Tmax. במילים אחרות, ההבדל בין Tavg ל-Tmin משתנה באופן ליניארי כאשר יש הבדל משמעותי בזרם, והשיפוע משתנה. ההבדל בין Tmax ל-Tavg רגיש מאוד לזרם, והשיפוע יגדל עם הזמן. לכן, בתרחיש השני, למעט שינויים משמעותיים בהפרשי זרם גדולים, ∆ T אינו מציג התנהגות ליניארית בזרמים קבועים ודינאמיים כאחד. עבודה עתידית צריכה להתמקד בפיתוח מערכות קירור יעילות ובחקירת אסטרטגיות ניהול תרמי שונות לשיפור הביצועים והבטיחות של חבילות סוללות ליתיום-יון בהתבסס על התוצאות שהתקבלו ממחקר זה.

5. סיכום

מאמר זה בוחן את ההתנהגות התרמית של חבילות סוללות ליתיום-יון 48V תחת זרם דינמי, שהוא חיוני להבנת הפעולה הבטוחה והאמינה של ערכות סוללות ליתיום-יון, במיוחד ביישומים הדורשים הספק וצפיפות אנרגיה גבוהים.

תוצאות הניסוי מצביעות על כך שהתנהגות הטמפרטורה של ערכת הסוללות היא מורכבת ולא ליניארית, עם הבדלים בין סוללות, מודולים שונים ומכלול הסוללות. הטמפרטורה מחוץ למארז הסוללות נמוכה מהסוללה הפנימית עקב העברת חום הסעה טובה יותר, וטמפרטורת המסוף החיובי של סוללה בודדת גבוהה מטמפרטורת המסוף השלילי. מודול רגיש יותר לזרמים גבוהים, וכתוצאה מכך לעלייה מהירה יותר בטמפרטורה ויצירת חום, שניתן להשיג רק על ידי לימוד כל המודולים באותה ערכת סוללות ליתיום-יון.

התנהגות הטמפרטורה של ערכת הסוללות מושפעת בעיקר מ-Tmax, שרגיש יותר לזרם. טריזה נובעת בעיקר מזרם גבוה ומהחום שנוצר מתנועת יוני ליתיום דרך המפריד. ההבדל בין Tmin ל-Tavg משתנה באופן ליניארי תחת זרם קבוע, בעוד שההבדל בין Tmax ל-Tavg משתנה באופן לא ליניארי בשינויי זרם, במיוחד בהפרשי זרם גדולים.

בסך הכל, ממצאי המחקר מצביעים על החשיבות של בדיקה והערכה אינדיבידואלית של ההתנהגות התרמית של כל סוללה, מודול וכל ערכת הסוללות כדי להבין את המורכבות וההתנהגות הלא ליניארית של ערכות סוללות ליתיום-יון תחת זרמים דינמיים. תוצאות מחקר זה יתרמו לפיתוח מערכות ניהול תרמיות של סוללות יעילות ואמינות יותר עבור ערכות סוללות ליתיום-יון ביישומי רכב בעתיד. בעת קביעת אסטרטגיות ופרמטרים לניהול תרמי של סוללה, יש צורך לשקול את ההבדלים בין מודול Tavg, התלות של Tavg ב-Tmax, והשפעת מיקום הסוללה על שינויי הטמפרטורה שלה.