प्रदर्शन और सुरक्षा को संतुलित करना: 48V लिथियम आयन बैटरी पैक के चार्ज डिस्चार्ज थर्मल विशेषताओं का व्यापक विश्लेषण

यह आलेख दो चार्ज डिस्चार्ज चक्रों के दौरान 48V लिथियम-आयन (ली आयन) बैटरी पैक के तापमान वितरण और व्यवहार का प्रयोगात्मक अध्ययन करने के लिए 25 थर्मोकपल का उपयोग करता है। नतीजे बताते हैं कि पैकेजिंग की बाहरी सतह पर बेहतर संवहन ताप हस्तांतरण होता है, जबकि मध्य बैटरी अपने अधिकतम तापमान तक पहुंच जाती है। तीनों मॉड्यूल के व्यवहार में भी अंतर देखा गया. डिस्चार्ज चक्र तापमान में 5.8 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि दर्शाता है, और बैटरी पैक का तापमान प्रवणता 1.3 डिग्री सेल्सियस से बढ़कर 2.7 डिग्री सेल्सियस हो जाता है। यह अध्ययन प्रत्येक मॉड्यूल के थर्मल व्यवहार और लिथियम-आयन की जटिलता के मूल्यांकन के महत्व पर जोर देता है। बैटरी पैक सिस्टम। उसी अध्ययन में, बैटरी, मॉड्यूल और बैटरी पैक के बारे में खोजें लिथियम-आयन बैटरी पैक के लिए कुशल शीतलन प्रणाली डिजाइन करने के लिए मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती हैं।

1 परिचय

लिथियम आयन बैटरी:रिचार्जेबल लिथियम-आयन बैटरियों को उनके उच्च ऊर्जा घनत्व, विशिष्ट शक्ति, हल्के वजन, कम स्व-निर्वहन दर, उच्च पुनर्चक्रण और लंबे जीवनकाल के कारण हल्के हाइब्रिड वाहनों के लिए उपयुक्त ऊर्जा भंडारण उपकरण माना जाता है। पिछले 13 वर्षों में लिथियम-आयन बैटरी पैक की कीमत में काफी कमी आई है। हालाँकि, उच्च तापमान और असमान तापमान वितरण लिथियम-आयन बैटरी की मुख्य समस्याएँ हैं, और तापमान उनके जीवनचक्र और ऊर्जा क्षमता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

पिछले शोध की कमियाँ:हल्के हाइब्रिड वाहनों में लिथियम-आयन बैटरियों के थर्मल व्यवहार पर पिछले अध्ययन मुख्य रूप से व्यक्तिगत बैटरी या बैटरी पैक पर केंद्रित थे, जिसमें बैटरी थर्मल व्यवहार पर बाहरी मापदंडों (जैसे अन्य बैटरियों की उपस्थिति) के प्रभाव का विस्तृत विश्लेषण नहीं था। इसके अलावा, 48V लिथियम-आयन बैटरी पैक के थर्मल व्यवहार पर शोध का दायरा सीमित है, और पूरे बैटरी पैक के विस्तृत तापमान वितरण पर प्रयोगात्मक अध्ययन की कमी है।

इस अध्ययन का उद्देश्य:दो पूर्ण चार्ज डिस्चार्ज चक्रों के माध्यम से 48V लिथियम-आयन बैटरी पैक के थर्मल व्यवहार की प्रयोगात्मक जांच करना है। बैटरी पैक के भीतर विभिन्न स्थानों पर मापने के लिए 25 थर्मोकपल का उपयोग करके, हम बैटरी पैक की गर्मी उत्पादन में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करने और उचित बैटरी शीतलन प्रणाली का चयन करने में मदद करने की उम्मीद करते हैं।

2. प्रायोगिक निर्धारण

लिथियम आयन बैटरी पैरामीटर:लिथियम आयन बैटरियां आमतौर पर एनोड, कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट और करंट कलेक्टर से बनी होती हैं। ऑटोमोटिव उद्योग में बेलनाकार, प्रिज्मीय और थैली के आकार की बैटरियों का उपयोग किया जाता है, और प्रिज्मीय डिजाइन अंतरिक्ष उपयोग और लचीलेपन में सुधार कर सकते हैं। इस अध्ययन में 8.23Ah की नाममात्र क्षमता वाली प्रिज़मैटिक NCM लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग किया गया। बैटरी पैक में 12s3p कॉन्फ़िगरेशन में जुड़ी 36 बैटरियां होती हैं, जिसमें आसान स्थापना, मॉड्यूलरिटी, सुरक्षा और कॉम्पैक्टनेस, वाहन के वजन पर न्यूनतम प्रभाव और उच्च लागत-प्रभावशीलता के फायदे हैं।

प्रायोगिक लेआउट:प्रायोगिक परीक्षण उपकरण में एक बैटरी पैक, AVL PUMA प्रणाली द्वारा नियंत्रित एक उच्च वोल्टेज उच्च वर्तमान AVL बैटरी सिम्युलेटर, दो डेटा अधिग्रहण मॉड्यूल (ES620 ETAS) के साथ एक K-प्रकार तापमान सेंसर और डेटा की निगरानी और भंडारण के लिए एक कंप्यूटर इकाई शामिल है। बैटरी पैक के तीन मॉड्यूल में स्थित माप बिंदुओं के साथ, बैटरी के तापमान की निगरानी के लिए 25 थर्मोकपल का उपयोग करें। थर्मोकपल एक ही बैटरी के सकारात्मक और नकारात्मक टर्मिनलों के बीच तापमान परिवर्तन का पता लगाने में मदद करते हैं।

चार्ज और डिस्चार्ज चक्र:दो पूर्ण चार्ज और डिस्चार्ज चक्र परीक्षण क्रमशः 26 डिग्री सेल्सियस और 47% के प्रारंभिक तापमान और चार्ज की स्थिति (एसओसी) के साथ आयोजित किए गए थे। अधिकतम और न्यूनतम धाराएँ क्रमशः 237ए और -237ए थीं। SoC उच्चतम और निम्नतम मूल्यों के दोगुने, यानी 91% और 10% पर पहुंच गया, और जब SoC प्रारंभिक मूल्य पर पहुंच गया तो परीक्षण समाप्त हो गया। उच्च तापमान पर बैटरी पैक की थर्मल विफलता से बचने के लिए, तापमान 40 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने पर परीक्षण समाप्त कर दिया गया था। इस अध्ययन में, तापमान सीमा दूसरे चक्र के अंत में पहुंच गई थी।

सैद्धांतिक पृष्ठभूमि:बैटरियों का तापमान प्रभाव आंतरिक सामग्रियों और रासायनिक प्रतिक्रियाओं से संबंधित है। सामान्य तापमान पर लिथियम-आयन बैटरियों का थर्मल उत्पादन चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रियाओं के दौरान चार्ज ट्रांसफर और रासायनिक प्रतिक्रियाओं से संबंधित है। तापीय उत्पादन में प्रतिवर्ती प्रक्रियाएँ (एन्ट्रापी ऊष्मा) और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएँ शामिल हैं। थर्मोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार, बैटरी के अंदर उत्पन्न गर्मी के क्षणिक व्यवहार से विभिन्न तापमान परिवर्तन हो सकते हैं। लिथियम-आयन बैटरी और बैटरी पैक के थर्मल व्यवहार का अध्ययन करने के लिए, एक नामकरण परंपरा और तापमान के लिए संबंधित मापदंडों को परिभाषित किया गया था, जैसे अधिकतम तापमान, न्यूनतम तापमान, तापमान अंतर और औसत तापमान।

3. परिणाम

एसओसी और वोल्टेज

नीचे दिया गया चित्र बैटरी पैक का वोल्टेज, करंट और SoC दिखाता है। परीक्षण के समय को दो चक्रों के 8 भागों में विभाजित किया गया है, जिसमें एलडी, ईसी, एलसी और ईडी क्रमशः लेट डिस्चार्ज, अर्ली चार्ज, लेट चार्ज और अर्ली डिस्चार्ज का प्रतिनिधित्व करते हैं। पहले भाग LD1 में, करंट -237A है, और बैटरी पैक और बैटरी वोल्टेज कम हो जाता है; EC1 अनुभाग में, करंट 237A है, SoC 33% तक पहुँच जाता है, और बैटरी पैक वोल्टेज बढ़ जाता है; एलसी1 अनुभाग में, करंट 33ए तक गिर जाता है और बैटरी पैक वोल्टेज बढ़ जाता है; ED1 अनुभाग में, करंट -237A है, और SoC और वोल्टेज कम हो जाते हैं। दूसरे चक्र में, बैटरी पैक के करंट, SoC और वोल्टेज ने पहले चक्र के समान समय विकास दिखाया, और परीक्षण 2105s पर समाप्त हुआ।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में लिथियम आयन बैटरी पैक को आमतौर पर लंबे समय तक उच्च स्थिर धारा की आवश्यकता होती है, इसलिए सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए बीएमएस आउटपुट कम कर देगा। उपरोक्त चित्र बैटरी थर्मल प्रबंधन के कारण देर से चार्जिंग चरण के दौरान वर्तमान सीमा में अचानक कमी दिखाता है।

ऊष्मीय प्रदर्शन

चित्र a मॉड्यूल 1 में 8 थर्मोकपल के तापमान समय के इतिहास को दर्शाता है। परीक्षण की शुरुआत में T1 और +12 के मान मॉड्यूल तापमान सीमा के बीच में थे, लेकिन परीक्षण के अंत में सबसे कम हो गए। परीक्षा। पहले चक्र की शुरुआत में T1 और -01 Tmin के बराबर थे, और मॉड्यूल के बीच में बैटरी का तापमान सबसे अधिक था।

चित्र बी मॉड्यूल 2 का तापमान वितरण दिखाता है, जहां T2, -12 Tmin है, T2, +01 दूसरा सबसे कम तापमान है, और T2, +04 Tmax है।

चित्र c मॉड्यूल 3 का तापमान वितरण दिखाता है, जहां T3, -01 Tmin है, T3, +12 दूसरा सबसे कम तापमान है, T3, +04, T3, -06, और T3, -07 Tmax है।

नीचे दिया गया चित्र बैटरी पैक और प्रत्येक मॉड्यूल के औसत तापमान, अधिकतम तापमान, न्यूनतम तापमान और तापमान अंतर का समय इतिहास दिखाता है। EC1 और EC2 में बैटरी पैक का ट्राइज़ क्रमशः 1.6 डिग्री C और 1.2 डिग्री C है। पूर्ण डिस्चार्ज चक्र (ED1 और LD2 का संयोजन) के दौरान, ट्राइज़ लगभग 5.8 डिग्री C है। अधिकतम ∆ T 2 है। EC1 और EC2 के अंत में क्रमशः ∆ 0 डिग्री C और 3.2 डिग्री C है, जबकि पहले और दूसरे पूर्ण चार्जिंग चक्र के अंत में न्यूनतम ∆ T क्रमशः 1.3 डिग्री C और 2.2 डिग्री C है, T को Tmax और के बीच के अंतर में विभाजित किया जा सकता है Tavg, साथ ही Tavg और Tmin के बीच का अंतर। जब करंट में काफी बदलाव होता है तो Tavg और Tmin के बीच का अंतर रैखिक रूप से भिन्न होता है, जबकि Tmax और Tavg के बीच का अंतर करंट और नॉनलाइनियर के प्रति संवेदनशील होता है।

4. चर्चा

बैटरी अनुसंधान:उसी लिथियम-आयन बैटरी में, सकारात्मक टर्मिनल का तापमान नकारात्मक टर्मिनल की तुलना में अधिक होता है, अधिकतम तापमान अंतर लगभग 0.6 डिग्री सेल्सियस होता है। इस घटना का उल्लेख साहित्य में भी किया गया है। इसके अलावा, दो चक्रों के अंत में, Tmin T1, +12 और T1, -01 मॉड्यूल 1 में, T2, -12 और T2, +01 मॉड्यूल में दिखाई देता है। मॉड्यूल 3 में 2, और टी3, -01 और टी3, +12। यह इंगित करता है कि मॉड्यूल सीमा सतह पर बेहतर संवहन ताप हस्तांतरण और शीतलन प्रभाव के कारण, बैटरी पैक की बाहरी बैटरी पर टीमिन दिखाई देता है। की तुलना में परिवेश का तापमान। और प्रत्येक मॉड्यूल का टीएमएक्स मध्य बैटरी में दिखाई देता है, लेकिन यह सममित नहीं है, जो प्रत्येक बैटरी के गतिशील व्यवहार और तापमान की गैर-एकरूपता को दर्शाता है। यह घटना इस गतिशील प्रणाली की जटिलता को दर्शाती है और बैटरी पैक में सभी मॉड्यूल के तापमान व्यवहार के मूल्यांकन के महत्व पर जोर देती है।

मॉड्यूल अनुसंधान:मॉड्यूल 1 का टैवग एलडी, ईसी, ईडी और एलसी के पहले भाग में बैटरी पैक की तुलना में अधिक है, जो दर्शाता है कि मॉड्यूल 1 अन्य मॉड्यूल की तुलना में उच्च धाराओं के प्रति अधिक संवेदनशील है, अधिक गर्मी उत्पन्न करता है, तापमान में तेजी से बढ़ता है। और अन्य मॉड्यूल की तुलना में गर्मी का बेहतर आदान-प्रदान करता है। यह बैटरी पैक सिस्टम की जटिलता को इंगित करता है, और प्रत्येक मॉड्यूल के थर्मल व्यवहार का अलग से अध्ययन और निरीक्षण किया जाना चाहिए।

बैटरी पैक अनुसंधान:लिथियम-आयन बैटरी, मॉड्यूल और बैटरी पैक में, ईडी, एलडी और ईसी में तापमान हमेशा बढ़ता है। इसलिए, Tmax न केवल LC1 और LC2 के मध्य में दिखाई देता है, बल्कि EC1 और EC2 के अंत में भी दिखाई देता है। दूसरे शब्दों में, जब उच्च धारा होती है, तो तापमान बढ़ जाएगा क्योंकि अधिक लिथियम आयन झिल्ली के माध्यम से आगे बढ़ेंगे और अधिक गर्मी उत्पन्न करेंगे। इसलिए, एलसी की शुरुआत में, तापमान में गिरावट होगी, जिसके बाद तापमान के अर्ध स्थिर अवस्था व्यवहार का अवलोकन किया जाएगा।

दो चार्जिंग चक्रों के बीच पूर्ण निर्वहन चक्र के दौरान, तापमान एकरस रूप से बढ़ता है; कुल मिलाकर, ट्राइस अपने शुरुआती मूल्य 31.8 डिग्री सेल्सियस से 5.8 डिग्री सेल्सियस बढ़ गया। इसके अलावा, ∆ टी ने भी 1.3 डिग्री सेल्सियस से 2.7 डिग्री सेल्सियस तक समान ऊपर की ओर रुझान दिखाया। यह समीकरण (2) के आधार पर उच्च धारा के कारण है। इस अवधि के दौरान, साथ ही मॉड्यूल 1 से करंट की संवेदनशीलता। इसके अलावा, दो चार्जिंग चक्रों में ट्राइज़ पैटर्न ने समान रुझान दिखाया। शुरुआत में, यह बढ़ता है, फिर गिरता है, और अंत में एक अर्ध स्थिर अवस्था का तापमान बनाए रखता है। इसलिए, जब बैटरी पैक पर उच्च धारा लागू की जाती है, तो उच्च ट्राइस और ∆ टी प्राप्त किया जाएगा।

∆ T को Tmax और Tavg के बीच के अंतर के साथ-साथ Tavg और Tmin के बीच के अंतर में विभाजित किया जा सकता है। Tmax तापमान प्रवणता के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है और समय के साथ बदलता रहता है, जबकि Tmin वर्तमान में परिवर्तन के प्रति कम संवेदनशील है। इसलिए, बैटरी पैक में तापमान परिवर्तन का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा Tmax के व्यवहार के कारण होता है। दूसरे शब्दों में, Tavg और Tmin के बीच का अंतर रैखिक रूप से भिन्न होता है जब धारा में महत्वपूर्ण अंतर होता है, और ढलान बदल जाता है। Tmax और Tavg के बीच का अंतर धारा के प्रति बहुत संवेदनशील है, और समय के साथ ढलान बढ़ जाएगी। इसलिए, दूसरे परिदृश्य में, बड़े वर्तमान अंतरों में महत्वपूर्ण बदलावों को छोड़कर, ∆ T स्थिर और गतिशील दोनों धाराओं में कोई रैखिक व्यवहार प्रदर्शित नहीं करता है। इस अध्ययन से प्राप्त परिणामों के आधार पर भविष्य के काम में कुशल शीतलन प्रणाली विकसित करने और लिथियम-आयन बैटरी पैक के प्रदर्शन और सुरक्षा में सुधार के लिए विभिन्न थर्मल प्रबंधन रणनीतियों की खोज पर ध्यान केंद्रित किया जाना चाहिए।

5. सारांश

यह लेख गतिशील धारा के तहत 48V लिथियम-आयन बैटरी पैक के थर्मल व्यवहार का अध्ययन करता है, जो लिथियम-आयन बैटरी पैक के सुरक्षित और विश्वसनीय संचालन को समझने के लिए महत्वपूर्ण है, खासकर उन अनुप्रयोगों में जिन्हें उच्च शक्ति और ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है।

प्रायोगिक परिणाम दर्शाते हैं कि बैटरी पैक का तापमान व्यवहार जटिल और अरेखीय है, जिसमें विभिन्न बैटरियों, मॉड्यूल और संपूर्ण बैटरी पैक के बीच अंतर है। बेहतर संवहन ताप हस्तांतरण के कारण बैटरी पैक के बाहर का तापमान आंतरिक बैटरी की तुलना में कम होता है, और एकल बैटरी का सकारात्मक टर्मिनल तापमान नकारात्मक टर्मिनल तापमान से अधिक होता है। एक मॉड्यूल उच्च धाराओं के प्रति अधिक संवेदनशील होता है, जिसके परिणामस्वरूप तेजी से तापमान बढ़ता है और गर्मी उत्पन्न होती है, जिसे केवल एक ही लिथियम-आयन बैटरी पैक में सभी मॉड्यूल का अध्ययन करके प्राप्त किया जा सकता है।

बैटरी पैक का तापमान व्यवहार मुख्य रूप से Tmax से प्रभावित होता है, जो करंट के प्रति अधिक संवेदनशील होता है। ट्राइज़ मुख्य रूप से उच्च धारा और विभाजक के माध्यम से लिथियम आयनों की गति से उत्पन्न गर्मी के कारण होता है। Tmin और Tavg के बीच का अंतर निरंतर धारा के तहत रैखिक रूप से भिन्न होता है, जबकि Tmax और Tavg के बीच का अंतर वर्तमान परिवर्तनों के तहत, विशेष रूप से बड़े वर्तमान अंतर के तहत, गैर-रैखिक रूप से भिन्न होता है।

कुल मिलाकर, शोध के निष्कर्ष गतिशील धाराओं के तहत लिथियम-आयन बैटरी पैक की जटिलता और गैर-रैखिक व्यवहार को समझने के लिए प्रत्येक बैटरी, मॉड्यूल और संपूर्ण बैटरी पैक के थर्मल व्यवहार की व्यक्तिगत रूप से जांच और मूल्यांकन करने के महत्व को दर्शाते हैं। इस अध्ययन के परिणाम भविष्य में ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में लिथियम-आयन बैटरी पैक के लिए अधिक कुशल और विश्वसनीय बैटरी थर्मल प्रबंधन प्रणालियों के विकास में योगदान देंगे। बैटरी थर्मल प्रबंधन रणनीतियों और मापदंडों का निर्धारण करते समय, मॉड्यूल Tavg, Tavg की Tmax पर निर्भरता और इसके तापमान परिवर्तन पर बैटरी स्थान के प्रभाव के बीच अंतर पर विचार करना आवश्यक है।