Révéler la technologie de tension différentielle : comment prédire efficacement les changements de température à l'intérieur des batteries lithium-ion

Abstrait

Les performances des batteries lithium-ion dépendent en grande partie de la température de fonctionnement de la batterie. Cependant, les données de température généralement obtenues sont mesurées par des thermocouples fixés à la surface de la batterie, ce qui peut ne pas refléter avec précision la température réelle à l'intérieur de la batterie, en particulier à des températures ambiantes basses et à des taux de décharge élevés. Cet article présentera une méthode innovante qui utilise la technologie de tension différentielle pour prédire la température interne d'une batterie souple lithium-ion de 40 Ah. La différence entre les mesures de température interne et externe dépend du débit de décharge et de la température ambiante. Au cours du processus de décharge continu, la différence entre la surface et la température mesurée augmente au début de la décharge, atteint son maximum au milieu, puis diminue à la fin de la décharge. Les résultats de cette étude peuvent soutenir activement les stratégies de contrôle dans les systèmes de gestion de batterie (BMS).

1. Présentation

Avec l’attention croissante portée aux questions environnementales et l’engagement des gouvernements à réduire les émissions, les véhicules électriques (VE) sont de plus en plus considérés comme une solution potentielle. L’un des facteurs clés de leur succès est le système de stockage d’énergie (ESS) utilisé. L'ESS idéal doit avoir une densité d'énergie et de puissance élevée, une excellente durée de vie et démontrer une fiabilité dans diverses conditions de fonctionnement telles que les cycles de conduite, la température, etc. Dans la technologie des batteries commerciales, les batteries lithium-ion sont devenues le choix préféré pour les véhicules électriques purs (BEV). ) en raison de leur densité d'énergie/puissance la plus élevée en termes de volume et de poids.

Les BEV basés sur des batteries lithium-ion réduiront considérablement leur autonomie et leurs performances énergétiques dans des conditions de basse température et de taux C élevé. Les raisons de la dégradation des performances comprennent une diminution de la conductivité de l'électrolyte, une diminution de la diffusion du lithium à l'état solide, une polarisation élevée des anodes en graphite et une cinétique de transfert de charge lente. Dans l’étude des batteries lithium-ion 2,2 Ah 18650, les performances électrochimiques de la batterie dépendent fortement de sa température de fonctionnement. Cependant, la température de fonctionnement des batteries est généralement mesurée par des thermocouples fixés à la surface de la batterie, ce qui peut ne pas refléter avec précision les processus électrochimiques à l'intérieur de la batterie. La mesure de la tension différentielle (DV) est utilisée pour déduire l'alignement stœchiométrique des électrodes à l'équilibre ou presque afin de détecter la décroissance de la capacité. Pour éviter le phénomène de transfert de charge, les courants élevés doivent être évités. DV représente la variation de tension par unité de capacité de décharge (dV/dQ), qui reflète l'impact cumulé des conditions de fonctionnement (température ambiante, taux C, SOC, impédance et auto-échauffement) sur la batterie.

L'objectif de cet article est d'utiliser la technologie DV pour prédire la « résistance effective » des batteries sous différents courants de décharge continus à des températures ambiantes allant de -20 à 25 degrés C, puis prédire leur température interne. L'écart entre les températures interne et mesurée de la surface de la batterie est directement lié au courant de décharge et diminue avec la diminution de la température ambiante. Ces prédictions peuvent contribuer à améliorer la précision de l'estimation de la température de la batterie et à améliorer les stratégies de contrôle au sein des systèmes de gestion de batterie (BMS).

2. Méthodes de recherche

A. Détails expérimentaux

Afin d'étudier le comportement de la batterie, une batterie souple lithium-ion pesant 0,97 kilogrammes avec une électrode positive NMC a été testée. La batterie a une tension nominale de 3,7 volts et une capacité de 40 ampères-heures. Un thermocouple de type K est installé au centre géométrique de la surface principale de la batterie souple. La batterie est placée dans la cellule chaude Votsch et soumise à des cycles de charge et de décharge à l'aide d'un cycleur de batterie Bitrode. Le test a été effectué à quatre températures ambiantes différentes : -20 degrés C, -10 degrés C, 0 degrés C et 25 degrés C. La charge n'est effectuée qu'à 25 degrés C, la charge à un taux de 0,5C (20 ampères) jusqu'à ce que la tension atteigne 4,2 volts. Le courant de charge chute alors à 0.05C tout en maintenant une tension de 4,2 volts. Les courants de décharge utilisés incluent 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C et 8C. Les paramètres directement mesurés incluent la tension de la batterie (V), la capacité (Ah), la puissance (W), l'énergie de décharge (Wh) et la température de surface de la batterie (mesurée) (degré C). La tension de coupure de cette batterie est de 2,7 volts.

B. Afin de calculer la « température interne » à partir des paramètres de mesure à l'aide de la technologie de tension différentielle, nous avons suivi les étapes suivantes pour la prédiction de la température interne (voir Figure 1) :

1. Calcul du changement de tension :Calculez le changement de tension (∆ V) à chaque pas de temps.

2. Calcul de résistance efficace :La "résistance effective" R est une fonction linéaire de DV, obtenue en divisant ∆ V par le courant de décharge.

Figure 1. Modèle simple de génération de chaleur

3. Calcul de la génération de chaleur :Calculez la chaleur générée à chaque pas de temps Qgen=∆ V ²/R.

4. Calcul de conduction thermique :Le calcul de la conduction thermique du noyau de la batterie à la surface est Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), où k est la conductivité thermique planaire de la batterie, A est la surface, et L est la distance entre le noyau de la batterie et la surface.

5. Calcul du transfert de chaleur par convection :Le calcul du transfert de chaleur par convection à la surface de la batterie est Qconv=(h × A × (T-Tamb)), où h est le coefficient de transfert de chaleur par convection et Tamb est la température ambiante.

6. Calcul du changement de température :Calculez le changement de température ∆ T chaque seconde sous la forme (QGen Qcond QConv)/(m × C). Ici, t est le pas de temps (en secondes), m vaut 0,97 kilogrammes et C est la capacité thermique. En supposant que Qbond est nul à t=0 secondes, utilisez Qbond du pas de temps précédent.

7. Calcul de la température interne :Calculez la température interne en intégrant ∆ T à chaque pas de temps.

Cette méthode fournit une nouvelle approche pour prédire avec précision la température interne des batteries en tenant compte de manière exhaustive de leurs performances électrochimiques et de leurs caractéristiques thermiques, ce qui revêt une grande importance pour l'optimisation des systèmes de gestion de batterie (BMS) et l'amélioration des performances de la batterie.

Tableau 1. Paramètres des batteries de poche lithium-ion

3. Résultats et discussion

A. L'influence du taux C et de la température ambiante sur la capacité de décharge et l'énergie de décharge

Les résultats expérimentaux montrent que l'énergie libérée par la batterie diminue avec l'augmentation du taux C et la diminution de la température ambiante. En effet, l'augmentation de l'impédance de la batterie entraîne une diminution plus rapide de la tension de la batterie, notamment une diminution de la conductivité ionique, une augmentation de la résistance de l'électrolyte, une polarisation anodique plus élevée, un transfert de charge plus lent et une diffusion insuffisante du lithium en phase solide.

Figure 2. Evolution de la tension avec énergie de décharge à différentes températures environnementales et taux c

Lors d'une décharge à 5 C à -10 degrés C, la tension augmentera pendant une période de temps considérable pendant le cycle de décharge. En effet, l'auto-échauffement entraîne une augmentation de la température de la batterie, ce qui entraîne une diminution de la résistance de l'électrolyte en raison d'une augmentation de la conductivité ionique et du taux de diffusion du sel, rendant ainsi l'énergie de décharge plus élevée que lors d'une décharge isotherme. À -10 degré C, la capacité de décharge de 5C est 3,6 % supérieure à celle de 1C, mais l'énergie de décharge est inférieure de 2,9 % ; À 0 degrés C, la capacité de décharge de 5C est 1 % supérieure à 1C et l'énergie de décharge est inférieure de 5,3 %, ce qui indique que les avantages de capacité apportés par l'auto-échauffement peuvent être surestimés et que la majeure partie de la capacité accrue est utilisé pour le chauffage de la batterie.

Figure 3. Evolution de la tension des batteries avec capacité de décharge à différentes températures ambiantes et taux C

B. L'influence du taux C et de la température ambiante sur la prévision de la température interne à l'aide de la tension différentielle

Figure 4. Résistance effective et énergie de décharge à différentes températures environnementales et taux C

La résistance effective augmente généralement avec la diminution de la température ambiante et l'augmentation du taux C, ce qui signifie qu'à un moment donné du cycle de décharge, la tension change de manière plus significative avec la libération d'énergie. À des températures ambiantes plus basses, en particulier à des taux C élevés, la résistance effective est plus élevée en raison de la faible conductivité ionique, du transfert de charge lent, de la résistance élevée de l'électrolyte et de la lente diffusion à l'état solide. Ceci est cohérent avec les études précédentes montrant que la résistance CC augmente avec la diminution de la température ambiante et l'augmentation des taux C, et que la résistance effective augmente à la fin de la décharge. Bien que le degré d'auto-échauffement d'une décharge à 5 °C soit élevé à -10 degré C, sa résistance effective est toujours la plus élevée, probablement en raison du temps de décharge court.

Figure 5. Comparaison des températures internes (I) et mesurées (M) à différents taux de C à une température ambiante de 25 degrés

Figure 6. Comparaison des températures internes (I) et mesurées (M) à différents taux de C à une température ambiante de 0 degrés

Pendant la décharge, la température mesurée et la température interne augmentent, avec une élévation de température plus importante et une augmentation plus importante de la température interne à un taux C élevé et à une température ambiante basse. Conformément à d'autres études, la différence maximale entre les températures internes et mesurées pendant le cycle de décharge (∆ T) est proportionnelle au taux C correspondant, et la différence augmente à mesure que la température ambiante diminue. Le ∆ T dans différentes conditions de fonctionnement dans cet article est légèrement supérieur à l'étude qui étudie uniquement les gradients de température de surface, mais est plus cohérent avec l'étude qui compare les températures internes et de surface, indiquant que la température interne estimée dans cet article représente la moyenne globale. température de la batterie, et la température mesurée provient des lectures du capteur de surface/du thermocouple. La différence entre la température interne de la batterie et la température mesurée augmente généralement avec la décharge, atteint un pic au milieu de la décharge, puis diminue. L'ampleur de la différence augmente avec l'augmentation du taux C et de la température ambiante.

Figure 7. Comparaison des températures internes (I) et mesurées (M) à différents taux de C à une température ambiante de 25 degrés.

Figure 8. Evolution de la température interne et différence de température de la batterie mesurée toutes les 30 Wh de décharge

4. Résumé

À des températures ambiantes plus basses, les avantages en termes de capacité de l'auto-échauffement peuvent être surestimés et peuvent ne pas se traduire par une augmentation de l'énergie disponible pour la batterie.

Limites de l’effet d’auto-échauffement :Dans les environnements à basse température, même si l’effet d’auto-échauffement des batteries peut augmenter la capacité de décharge, cela ne signifie pas toujours que l’énergie libérée par la batterie augmentera. En effet, la capacité accrue peut être principalement utilisée pour chauffer la batterie, plutôt que pour effectuer des travaux ou fournir davantage d'énergie électrique.

La résistance effective d'une batterie est plus grande à des courants de décharge plus élevés et à des températures ambiantes plus basses.

La relation entre la résistance efficace et les conditions de fonctionnement :La résistance effective est un paramètre important d’une batterie dans des conditions de fonctionnement spécifiques, qui augmente avec l’augmentation du courant de décharge et la diminution de la température ambiante. Cela indique que la conduction ionique et le transfert de charge à l’intérieur de la batterie sont davantage entravés dans des conditions de décharge à courant élevé et de basse température.

La différence entre la température interne de la batterie et la température de surface mesurée de la batterie augmente avec l'augmentation du courant de décharge et la diminution de la température ambiante.

La relation entre la différence de température et les conditions de fonctionnement :La différence entre la température interne et la température de surface (∆ T) est directement liée au courant de décharge et à la température ambiante. Cela signifie que dans des environnements de décharge à courant élevé et à basse température, la température à l'intérieur de la batterie peut être beaucoup plus élevée que la température de surface, ce qui est crucial pour la gestion thermique et l'optimisation des performances de la batterie.

Pendant le cycle de décharge, la différence entre la température interne de la batterie et la température de surface mesurée de la batterie augmente dans les premières étapes de la décharge, atteint son maximum dans les étapes intermédiaires, puis diminue dans les dernières étapes de la décharge.

Changements dynamiques des différences de température :La tendance des différences de température entre l’intérieur et la surface d’une batterie pendant la décharge reflète la complexité de la dynamique thermique interne de la batterie. Cette différence augmente dans les premiers stades de la décharge, probablement en raison de l'augmentation rapide de la chaleur générée en interne lorsque la batterie commence à se décharger. Le pic à mi-décharge peut être dû à la température interne la plus élevée de la batterie, tandis que la diminution vers la fin de la décharge peut être due à une diminution de la chaleur générée dans la batterie et au début du refroidissement.

Ces observations sont cruciales pour la conception et l’optimisation des systèmes de gestion de batteries (BMS), car elles fournissent des informations précieuses sur le comportement des batteries dans différentes conditions de fonctionnement. En comprenant et prédisant ces phénomènes, il est possible de gérer plus efficacement la température de la batterie, améliorant ainsi ses performances et sa durée de vie.