เผยเทคโนโลยีแรงดันไฟฟ้าดิฟเฟอเรนเชียล: วิธีทำนายการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างมีประสิทธิภาพ

เชิงนามธรรม

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลอุณหภูมิโดยทั่วไปจะวัดโดยเทอร์โมคัปเปิลที่ติดอยู่กับพื้นผิวของแบตเตอรี่ ซึ่งอาจไม่สะท้อนถึงอุณหภูมิจริงภายในแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะในอุณหภูมิแวดล้อมต่ำและอัตราการคายประจุสูง บทความนี้จะแนะนำวิธีการใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันเพื่อคาดการณ์อุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบอ่อนขนาด 40Ah ความแตกต่างระหว่างการวัดอุณหภูมิภายในและภายนอกขึ้นอยู่กับอัตราการคายประจุและอุณหภูมิโดยรอบ ในระหว่างกระบวนการคายประจุอย่างต่อเนื่อง ความแตกต่างระหว่างพื้นผิวและอุณหภูมิที่วัดได้จะเพิ่มขึ้นในระยะแรกของการคายประจุ และถึงจุดสูงสุดในระยะกลาง และลดลงในช่วงปลายของการคายประจุ ผลการศึกษานี้สามารถสนับสนุนกลยุทธ์การควบคุมในระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ได้อย่างจริงจัง

1. บทนำ

เนื่องจากความสนใจที่เพิ่มขึ้นต่อประเด็นด้านสิ่งแวดล้อมและความมุ่งมั่นของรัฐบาลในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก รถยนต์ไฟฟ้า (EV) จึงได้รับการยกย่องว่าเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีศักยภาพมากขึ้น ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งสำหรับความสำเร็จคือระบบกักเก็บพลังงาน (ESS) ที่ใช้ ESS ในอุดมคติควรมีพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานสูง มีอายุการใช้งานที่ดีเยี่ยม และแสดงให้เห็นถึงความน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ เช่น รอบการขับขี่ อุณหภูมิ ฯลฯ ในเทคโนโลยีแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าบริสุทธิ์ (BEV) ) เนื่องจากพลังงาน/ความหนาแน่นของพลังงานมีปริมาตรและน้ำหนักสูงสุด

BEV ที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะลดระยะและประสิทธิภาพพลังงานลงอย่างมากภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำและสภาวะอัตรา C สูง สาเหตุของประสิทธิภาพลดลง ได้แก่ ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ลดลง การแพร่กระจายของลิเธียมโซลิดสเตตลดลง โพลาไรซ์แอโนดกราไฟท์สูง และจลนพลศาสตร์การถ่ายโอนประจุช้า ในการศึกษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 2.2 Ah 18650 ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการทำงานเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่มักจะวัดโดยเทอร์โมคัปเปิ้ลที่ติดอยู่กับพื้นผิวของแบตเตอรี่ ซึ่งอาจไม่สะท้อนกระบวนการไฟฟ้าเคมีภายในแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ การวัดแรงดันไฟฟ้าดิฟเฟอเรนเชียล (DV) ใช้เพื่ออนุมานการจัดตำแหน่งปริมาณสัมพันธ์ของอิเล็กโทรดที่หรือใกล้สมดุลเพื่อตรวจจับการสลายตัวของความจุ เพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์การถ่ายโอนประจุ ควรหลีกเลี่ยงกระแสไฟสูง DV แสดงถึงความแปรผันของแรงดันไฟฟ้าต่อความสามารถในการคายประจุหน่วย (dV/dQ) ซึ่งสะท้อนถึงผลกระทบสะสมของสภาพการทำงาน (อุณหภูมิแวดล้อม อัตรา C, SOC, อิมพีแดนซ์ และความร้อนในตัว) บนแบตเตอรี่

เป้าหมายของบทความนี้คือการใช้เทคโนโลยี DV เพื่อทำนาย "ความต้านทานที่มีประสิทธิผล" ของแบตเตอรี่ภายใต้กระแสคายประจุต่อเนื่องต่างๆ ที่อุณหภูมิแวดล้อมตั้งแต่ -20 ถึง 25 องศา C จากนั้นจึงทำนายอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่ ความเบี่ยงเบนระหว่างอุณหภูมิภายในและอุณหภูมิพื้นผิวแบตเตอรี่ที่วัดได้จะเกี่ยวข้องโดยตรงกับกระแสคายประจุ และจะลดลงตามอุณหภูมิแวดล้อมที่ลดลง การคาดการณ์เหล่านี้อาจช่วยปรับปรุงความแม่นยำของการประมาณอุณหภูมิแบตเตอรี่ และปรับปรุงกลยุทธ์การควบคุมภายในระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

2. วิธีการวิจัย

ก. รายละเอียดการทดลอง

เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมของแบตเตอรี่ ได้มีการทดสอบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบซอฟต์แพ็คที่มีน้ำหนัก 0.97 กิโลกรัม พร้อมด้วยอิเล็กโทรดขั้วบวก NMC แบตเตอรี่มีแรงดันไฟฟ้าปกติ 3.7 โวลต์และความจุ 40 แอมแปร์ชั่วโมง เทอร์โมคัปเปิลชนิด K ได้รับการติดตั้งที่ศูนย์กลางทางเรขาคณิตของพื้นผิวหลักของแบตเตอรี่แบบอ่อน แบตเตอรี่ถูกวางไว้ในเซลล์ร้อน Votsch และต้องผ่านรอบการชาร์จและคายประจุโดยใช้โปรแกรมวงจรแบตเตอรี่ Bitrode การทดสอบดำเนินการที่อุณหภูมิแวดล้อมที่แตกต่างกันสี่แบบ: -20 องศา C, -10 องศา C, 0 องศา C และ 25 องศา C การชาร์จจะดำเนินการที่อุณหภูมิ 25 องศา C เท่านั้น โดยการชาร์จ ในอัตรา 0.5C (20 แอมป์) จนกระทั่งแรงดันไฟฟ้าถึง 4.2 โวลต์ กระแสไฟชาร์จจะลดลงเหลือ 0.05C ขณะที่รักษาแรงดันไฟฟ้าไว้ที่ 4.2 โวลต์ กระแสจำหน่ายที่ใช้ ได้แก่ 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C และ 8C พารามิเตอร์ที่วัดโดยตรง ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ (V) ความจุ (Ah) กำลัง (W) พลังงานที่ปล่อยออกมา (Wh) และอุณหภูมิพื้นผิวแบตเตอรี่ (วัด) ( องศา C) แรงดันไฟตัดของแบตเตอรี่นี้คือ 2.7 โวลต์

B. เพื่อคำนวณ "อุณหภูมิภายใน" จากพารามิเตอร์การวัดโดยใช้เทคโนโลยีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เราได้ดำเนินการตามขั้นตอนต่อไปนี้สำหรับการทำนายอุณหภูมิภายใน (ดูรูปที่ 1):

1. การคำนวณการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า:คำนวณการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า (∆ V) ในแต่ละขั้นเวลา

2. การคำนวณความต้านทานที่มีประสิทธิภาพ:"ความต้านทานประสิทธิผล" R เป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของ DV ซึ่งได้มาจากการหาร ∆ V ด้วยกระแสคายประจุ

รูปที่ 1 แบบจำลองการสร้างความร้อนอย่างง่าย

3. การคำนวณการสร้างความร้อน:คำนวณความร้อนที่เกิดขึ้นในแต่ละขั้นตอนของ Qgen=∆ V ²/R

4. การคำนวณการนำความร้อน:การคำนวณการนำความร้อนจากแกนแบตเตอรี่ถึงพื้นผิวคือคิวบอนด์=(k × A × ∆ T)/(L/2) โดยที่ k คือค่าการนำความร้อนในระนาบของแบตเตอรี่ A คือพื้นที่ผิว และ L คือระยะห่างระหว่างแกนแบตเตอรี่กับพื้นผิว

5. การคำนวณการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน:การคำนวณการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนบนพื้นผิวของแบตเตอรี่คือ Qconv=(h × A × (T-Tamb)) โดยที่ h คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน และ Tamb คืออุณหภูมิโดยรอบ

6. การคำนวณการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ:คำนวณการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ∆ T ทุกวินาทีเป็น (QGen Qcond QConv)/(m × C) โดยที่ t คือขั้นตอนเวลา (เป็นวินาที) m คือ 0.97 กิโลกรัม และ C คือความจุความร้อน สมมติว่า Qbond เป็นศูนย์ที่ t=0 วินาที จากนั้นใช้ Qbond จากขั้นตอนเวลาก่อนหน้า

7. การคำนวณอุณหภูมิภายใน:คำนวณอุณหภูมิภายในโดยการรวม ∆ T ในแต่ละช่วงเวลา

วิธีการนี้เป็นแนวทางใหม่ในการทำนายอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่อย่างแม่นยำ โดยการพิจารณาประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าและคุณลักษณะทางความร้อนอย่างครอบคลุม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

ตารางที่ 1. พารามิเตอร์แบตเตอรี่ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบซอง

3. ผลลัพธ์และการสนทนา

A. อิทธิพลของอัตรา C และอุณหภูมิโดยรอบต่อความสามารถในการคายประจุและพลังงานการคายประจุ

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากแบตเตอรี่จะลดลงตามการเพิ่มขึ้นของอัตรา C และอุณหภูมิโดยรอบที่ลดลง เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานของแบตเตอรี่ทำให้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงเร็วขึ้น รวมถึงการนำไอออนที่ลดลง ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์ที่เพิ่มขึ้น โพลาไรเซชันของขั้วบวกที่สูงขึ้น การถ่ายโอนประจุที่ช้าลง และการแพร่กระจายของเฟสโซลิดลิเธียมไม่เพียงพอ

รูปที่ 2 วิวัฒนาการของแรงดันไฟฟ้าพร้อมพลังงานคายประจุที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมและอัตรา c ต่างกัน

เมื่อคายประจุที่อุณหภูมิ 5C ที่ -10 องศา C แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็นระยะเวลานานในระหว่างรอบการคายประจุ เนื่องจากการทำความร้อนด้วยตนเองทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์ลดลงเนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าของไอออนและอัตราการแพร่กระจายของเกลือเพิ่มขึ้น ส่งผลให้พลังงานที่ปล่อยออกมาสูงกว่าในระหว่างการคายประจุความร้อน ที่ -10 องศา C ความสามารถในการคายประจุของ 5C จะสูงกว่า 1C 3.6% แต่พลังงานการปล่อยประจุจะต่ำกว่า 2.9% ที่ 0 องศา C ความสามารถในการคายประจุของ 5C จะสูงกว่า 1C 1% และพลังงานการคายประจุจะลดลง 5.3% ซึ่งบ่งชี้ว่าประโยชน์ด้านความจุที่ได้จากการให้ความร้อนด้วยตนเองอาจถูกประเมินสูงเกินไป และความจุที่เพิ่มขึ้นส่วนใหญ่คือ ใช้สำหรับทำความร้อนแบตเตอรี่

รูปที่ 3 วิวัฒนาการของแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่มีความสามารถในการคายประจุที่อุณหภูมิแวดล้อมและอัตรา c ต่างกัน

B. อิทธิพลของอัตรา C และอุณหภูมิโดยรอบต่อการทำนายอุณหภูมิภายในโดยใช้แรงดันดิฟเฟอเรนเชียล

รูปที่ 4 พลังงานต้านทานและคายประจุที่มีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมและอัตรา C ต่างกัน

โดยทั่วไปความต้านทานที่มีประสิทธิผลจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิแวดล้อมที่ลดลงและอัตรา C ที่เพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่า ณ จุดใดจุดหนึ่งของวงจรการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญมากขึ้นตามการปล่อยพลังงาน ที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อัตรา C สูง ความต้านทานที่มีประสิทธิผลจะสูงขึ้นเนื่องจากการนำไอออนต่ำ การถ่ายโอนประจุที่ช้า ความต้านทานอิเล็กโทรไลต์สูง และการแพร่กระจายของโซลิดสเตตที่ช้า ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้านี้ที่แสดงให้เห็นว่าความต้านทาน DC เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิแวดล้อมที่ลดลงและอัตรา C ที่เพิ่มขึ้น และความต้านทานที่มีประสิทธิผลจะเพิ่มขึ้นเมื่อสิ้นสุดการคายประจุ แม้ว่าระดับการทำความร้อนด้วยตนเองของการคายประจุ 5C จะสูงที่ -10 องศา C แต่ความต้านทานที่มีประสิทธิผลยังคงสูงที่สุด อาจเนื่องมาจากเวลาคายประจุสั้น

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบอุณหภูมิภายใน (I) และอุณหภูมิที่วัดได้ (M) ในอัตรา C ที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิแวดล้อม 25 องศา

รูปที่ 6 การเปรียบเทียบอุณหภูมิภายใน (I) และอุณหภูมิที่วัดได้ (M) ในอัตรา C ที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิแวดล้อม 0 องศา

ในระหว่างการคายประจุ ทั้งอุณหภูมิที่วัดได้และอุณหภูมิภายในจะเพิ่มขึ้น โดยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะสูงขึ้นและอุณหภูมิภายในจะเพิ่มขึ้นมากขึ้นที่อัตรา C สูงและอุณหภูมิแวดล้อมต่ำ สอดคล้องกับการศึกษาอื่นๆ ความแตกต่างสูงสุดระหว่างอุณหภูมิภายในและอุณหภูมิที่วัดได้ในระหว่างรอบการปล่อย (∆ T) จะเป็นสัดส่วนกับอัตรา C ที่สอดคล้องกัน และความแตกต่างจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิโดยรอบลดลง ∆ T ภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกันในบทความนี้จะสูงกว่าการศึกษาที่ตรวจสอบเฉพาะการไล่ระดับของอุณหภูมิพื้นผิวเล็กน้อย แต่จะสอดคล้องกับการศึกษาที่เปรียบเทียบอุณหภูมิภายในและอุณหภูมิพื้นผิวมากกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่าอุณหภูมิภายในโดยประมาณในบทความนี้แสดงถึงค่าเฉลี่ยโดยรวม อุณหภูมิของแบตเตอรี่ และอุณหภูมิที่วัดได้มาจากการอ่านค่าเซ็นเซอร์พื้นผิว/เทอร์โมคัปเปิล ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่และอุณหภูมิที่วัดได้โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นตามการคายประจุ และถึงจุดสูงสุดในช่วงกลางของการคายประจุ จากนั้นจะลดลง ขนาดของความแตกต่างจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอัตรา C และอุณหภูมิโดยรอบ

รูปที่ 7 การเปรียบเทียบอุณหภูมิภายใน (I) และอุณหภูมิที่วัดได้ (M) ในอัตรา C ที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิแวดล้อม 25 องศา

รูปที่ 8 วิวัฒนาการของอุณหภูมิภายในและความแตกต่างของอุณหภูมิแบตเตอรี่ที่วัดได้ทุกๆ 30 Wh ที่ปล่อยออกมา

4. สรุป

ที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำ ประโยชน์ด้านความจุของการทำความร้อนด้วยตนเองอาจถูกประเมินสูงเกินไป และอาจไม่แปลเป็นการเพิ่มพลังงานที่มีอยู่สำหรับแบตเตอรี่

ข้อจำกัดของผลการทำความร้อนด้วยตนเอง:ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ แม้ว่าผลกระทบจากการทำความร้อนด้วยตนเองของแบตเตอรี่อาจเพิ่มความสามารถในการคายประจุ แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นเสมอไป เนื่องจากความจุที่เพิ่มขึ้นอาจนำไปใช้เพื่อให้ความร้อนแก่แบตเตอรี่เป็นหลัก แทนที่จะใช้สำหรับการทำงานหรือให้พลังงานไฟฟ้ามากขึ้น

ความต้านทานที่มีประสิทธิผลของแบตเตอรี่จะมีมากขึ้นที่กระแสคายประจุที่สูงขึ้นและอุณหภูมิแวดล้อมต่ำลง

ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานที่มีประสิทธิผลและสภาวะการทำงาน:ความต้านทานที่มีประสิทธิผลเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะการทำงานเฉพาะ ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของกระแสคายประจุและอุณหภูมิโดยรอบที่ลดลง สิ่งนี้บ่งชี้ว่าการนำไอออนและการถ่ายโอนประจุภายในแบตเตอรี่จะถูกขัดขวางมากขึ้นภายใต้การปล่อยกระแสไฟฟ้าสูงและสภาวะอุณหภูมิต่ำ

ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่และอุณหภูมิพื้นผิวที่วัดได้ของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของกระแสคายประจุและอุณหภูมิโดยรอบที่ลดลง

ความสัมพันธ์ระหว่างความแตกต่างของอุณหภูมิและสภาพการทำงาน:ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิภายในและอุณหภูมิพื้นผิว (∆ T) เกี่ยวข้องโดยตรงกับกระแสไฟที่ปล่อยออกมาและอุณหภูมิโดยรอบ ซึ่งหมายความว่าในสภาพแวดล้อมที่มีการคายประจุกระแสไฟฟ้าสูงและอุณหภูมิต่ำ อุณหภูมิภายในแบตเตอรี่อาจสูงกว่าอุณหภูมิพื้นผิวมาก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการจัดการระบายความร้อนและการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่

ในระหว่างรอบการคายประจุ ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่และอุณหภูมิพื้นผิวที่วัดได้ของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นในระยะแรกของการคายประจุ และถึงจุดสูงสุดในระยะกลาง และลดลงในช่วงปลายของการคายประจุ

การเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกของความแตกต่างของอุณหภูมิ:แนวโน้มของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและพื้นผิวของแบตเตอรี่ในระหว่างการคายประจุสะท้อนถึงความซับซ้อนของการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนภายในของแบตเตอรี่ ความแตกต่างนี้จะเพิ่มขึ้นในระยะแรกของการคายประจุ อาจเนื่องมาจากความร้อนที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นภายในเมื่อแบตเตอรี่เริ่มคายประจุ จุดสูงสุดในระหว่างการคายประจุกลางอาจเนื่องมาจากอุณหภูมิภายในแบตเตอรี่สูงสุด ในขณะที่การลดลงเมื่อสิ้นสุดการคายประจุอาจเนื่องมาจากความร้อนที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ลดลงและการเริ่มทำความเย็น

ข้อสังเกตเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เนื่องจากให้ข้อมูลที่มีคุณค่าเกี่ยวกับพฤติกรรมของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน ด้วยการทำความเข้าใจและคาดการณ์ปรากฏการณ์เหล่านี้ จึงสามารถจัดการอุณหภูมิของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่