성능과 안전성의 균형: 48V 리튬 이온 배터리 팩의 충전 방전 열 특성에 대한 종합 분석

이 기사에서는 25개의 열전대를 사용하여 두 번의 충전 방전 주기 동안 48V 리튬 이온(Li 이온) 배터리 팩의 온도 분포와 동작을 실험적으로 연구합니다. 결과는 중간 배터리가 최대 온도에 도달하는 동안 포장 외부 표면에서 더 나은 대류 열 전달이 발생함을 나타냅니다. 세 가지 모듈의 동작에서도 차이점이 관찰되었습니다. 방전 주기에서는 5.8℃의 온도 상승이 나타났으며, 배터리 팩의 온도 구배는 1.3℃에서 2.7℃로 증가했습니다. 본 연구에서는 각 모듈의 열적 거동과 리튬 이온의 복잡성을 평가하는 것의 중요성을 강조합니다. 배터리 팩 시스템. 동일한 연구에서 배터리, 모듈 및 배터리 팩에 대한 발견은 리튬 이온 배터리 팩의 효율적인 냉각 시스템을 설계하는 데 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

1. 소개

리튬 이온 배터리:충전식 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 비출력, 경량, 낮은 자체 방전율, 높은 재활용성 및 긴 수명으로 인해 마일드 하이브리드 차량에 적합한 에너지 저장 장치로 간주됩니다. 지난 13년 동안 리튬이온 배터리 팩의 가격은 크게 하락했습니다. 그러나 고온과 불균일한 온도 분포는 리튬 이온 배터리의 주요 문제이며 온도는 수명주기와 에너지 용량에 중요한 역할을 합니다.

이전 연구의 단점:마일드 하이브리드 차량의 리튬 이온 배터리의 열 거동에 대한 이전 연구는 주로 개별 배터리 또는 배터리 팩에 초점을 맞추었으며 외부 매개변수(예: 다른 배터리의 존재)가 배터리 열 거동에 미치는 영향에 대한 자세한 분석이 부족했습니다. 또한, 48V 리튬이온 배터리 팩의 열적 거동에 대한 연구 범위는 제한적이며, 전체 배터리 팩의 상세한 온도 분포에 대한 실험적 연구도 부족한 실정이다.

이 연구의 목적:두 번의 완전한 충전 방전 사이클을 통해 48V 리튬 이온 배터리 팩의 열적 거동을 실험적으로 조사하는 것입니다. 25개의 열전대를 사용하여 배터리 팩 내의 다양한 위치에서 측정함으로써 배터리 팩의 열 발생에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 적절한 배터리 냉각 시스템을 선택하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

2. 실험적 결정

리튬 이온 배터리 매개변수:리튬 이온 배터리는 일반적으로 양극, 음극, 전해질, 집전체로 구성됩니다. 자동차 산업에서는 원통형, 각형, 파우치형 배터리가 사용되며, 각형 디자인은 공간 활용성과 유연성을 향상시킬 수 있습니다. 본 연구에서는 공칭 용량 8.23Ah의 각형 NCM 리튬이온 배터리를 사용했습니다. 배터리 팩은 12s3p 구성으로 연결된 36개의 배터리로 구성되어 있어 설치가 쉽고, 모듈성, 안전성 및 소형화, 차량 중량에 미치는 영향이 최소화되고 비용 효율성이 높은 장점이 있습니다.

실험적 레이아웃:실험 테스트 장치에는 배터리 팩, AVL PUMA 시스템으로 제어되는 고전압 고전류 AVL 배터리 시뮬레이터, 두 개의 데이터 수집 모듈(ES620 ETAS)이 있는 K형 온도 센서, 데이터 모니터링 및 저장을 위한 컴퓨터 장치가 포함됩니다. 25개의 열전대를 사용하여 배터리 온도를 모니터링하고 측정 지점은 배터리 팩의 3개 모듈에 있습니다. 열전대는 동일한 배터리의 양극 단자와 음극 단자 사이의 온도 변화를 감지하는 데 도움이 됩니다.

충전 및 방전 주기:두 번의 완전한 충전 및 방전 주기 테스트가 각각 26°C 및 47%의 초기 온도와 충전 상태(SoC)에서 수행되었습니다. 최대 전류와 최소 전류는 각각 237A와 -237A였습니다. SoC는 최고값과 최저값의 두 배인 91%와 10%에 도달했고, SoC가 초기값에 도달하면 테스트가 종료됐다. 고온에서 배터리 팩의 열적 고장을 방지하기 위해 온도가 40℃에 도달하면 테스트를 종료했습니다. 본 연구에서는 두 번째 사이클이 끝날 때 온도 한계에 도달했습니다.

이론적 배경:배터리의 온도 효과는 내부 재료 및 화학 반응과 관련이 있습니다. 상온에서 리튬이온 배터리의 열 발생은 충전 및 방전 과정 중 전하 이동 및 화학 반응과 관련이 있습니다. 열 발생에는 가역적 과정(엔트로피 열)과 비가역적 과정이 포함됩니다. 열역학 법칙에 따라 배터리 내부에서 발생하는 열의 일시적인 동작으로 인해 다양한 온도 변화가 발생할 수 있습니다. 리튬이온 배터리 및 배터리 팩의 열 거동을 연구하기 위해 최대 온도, 최소 온도, 온도 차이 및 평균 온도와 같은 온도에 대한 명명 규칙 및 관련 매개 변수를 정의했습니다.

3. 결과

SOC 및 전압

아래 그림은 배터리 팩의 전압, 전류, SoC를 보여줍니다. 테스트 시간은 2주기의 8개 부분으로 나누어지며, 각각 지연 방전, 조기 충전, 지연 충전, 조기 방전을 나타내는 LD, EC, LC, ED입니다. 첫 번째 부분 LD1에서는 전류가 -237A이고 배터리 팩과 배터리 전압이 감소합니다. EC1 섹션에서 전류는 237A이고 SoC는 33%에 도달하며 배터리 팩 전압이 증가합니다. LC1 섹션에서는 전류가 33A로 떨어지고 배터리 팩 전압이 증가합니다. ED1 구간에서는 전류가 -237A이고 SoC와 전압이 감소한다. 두 번째 사이클에서는 배터리 팩의 전류, SoC, 전압이 첫 번째 사이클과 유사한 시간 변화를 보여 2105초에 테스트가 종료됐다.

리튬 이온 배터리 팩은 일반적으로 실제 응용 분야에서 장기간의 높은 정전류가 필요하므로 BMS는 안전을 보장하기 위해 출력을 줄입니다. 위 그림은 배터리 열 관리로 인해 충전 후반 단계에서 전류 제한이 갑자기 감소하는 것을 보여줍니다.

열 성능

그림 a는 모듈 1에 있는 8개 열전대의 온도 시간 이력을 보여줍니다. T1과 +12의 값은 테스트 시작 시 모듈 온도 범위의 중간에 있었지만 테스트가 끝날 때 가장 낮은 값으로 떨어졌습니다. 시험. T1과 -01는 첫 번째 사이클 시작 시 Tmin과 같았으며, 모듈 중앙의 배터리 온도가 가장 높았습니다.

그림 b는 모듈 2의 온도 분포를 보여줍니다. 여기서 T2, -12는 Tmin, T2,+01는 두 번째로 낮은 온도이고 T2,+04는 Tmax입니다.

그림 c는 모듈 3의 온도 분포를 보여줍니다. 여기서 T3, -01는 Tmin, T3,+12는 두 번째로 낮은 온도, T3,+04, T3, -06입니다. T3, -07는 Tmax입니다.

아래 그림은 배터리 팩과 각 모듈의 평균온도, 최고온도, 최저온도, 온도차의 시간이력을 보여줍니다. EC1과 EC2의 배터리 팩의 Trise는 각각 1.6°C와 1.2°C입니다. 전체 방전 사이클(ED1과 LD2의 조합) 동안 Trise는 약 5.8°C입니다. 최대 ΔT는 EC1과 EC2의 끝에서 각각 2.0°C와 3.2°C입니다. 최소 ΔT는 첫 번째 및 두 번째 완전 충전 주기가 끝날 때 각각 1.3°C 및 2.2°C입니다. T는 다음과 같이 Tmax와 Tavg의 차이로 나눌 수 있습니다. Tavg와 Tmin의 차이도 마찬가지입니다. Tavg와 Tmin의 차이는 전류가 크게 변할 때 선형적으로 변하는 반면, Tmax와 Tavg의 차이는 전류와 비선형에 민감합니다.

4. 토론

배터리 연구:동일한 리튬 이온 배터리에서 양극 단자의 온도는 음극 단자의 온도보다 높으며 최대 온도 차이는 약 0.6℃입니다. 이 현상은 문헌에서도 언급되었습니다. 또한 두 주기가 끝나면 Tmin은 모듈 1의 T1,+12 및 T1, -01, 모듈의 T2, -12 및 T2,+01에 나타납니다. 2, 모듈 3의 T3, -01 및 T3,+12. 이는 모듈 경계면의 대류 열 전달 및 냉각 효과가 향상되어 Tmin이 배터리 팩의 외부 배터리에 나타남을 나타냅니다. 주변 온도와 비교. 그리고 각 모듈의 Tmax는 중앙 배터리에 나타나지만 이는 대칭이 아니므로 각 배터리의 동적 동작과 온도 불균일성을 나타냅니다. 이 현상은 동적 시스템의 복잡성을 보여주며 배터리 팩에 있는 모든 모듈의 온도 동작을 평가하는 것의 중요성을 강조합니다.

모듈 연구:모듈 1의 Tavg는 LD, EC, ED, LC 전반부 배터리 팩의 Tavg보다 높습니다. 이는 모듈 1이 다른 모듈보다 고전류에 더 민감하고 더 많은 열을 발생시키며 온도 상승이 더 빠르다는 것을 나타냅니다. 다른 모듈보다 열 교환이 더 잘됩니다. 이는 배터리 팩 시스템의 복잡성을 나타내며, 각 모듈의 열적 거동을 별도로 연구하고 검사해야 합니다.

배터리 팩 연구:리튬이온 배터리, 모듈, 배터리 팩에서는 ED, LD, EC의 온도가 항상 상승합니다. 따라서 Tmax는 LC1과 LC2의 중간뿐만 아니라 EC1과 EC2의 끝 부분에도 나타납니다. 즉, 전류가 높으면 막을 통해 더 많은 리튬 이온이 이동하여 더 많은 열을 발생시켜야 하므로 온도가 상승하게 됩니다. 따라서 LC가 시작될 때 온도 강하가 발생하고 온도의 준 정상 상태 동작이 관찰됩니다.

두 충전 사이클 사이의 완전한 방전 사이클 동안 온도는 단조롭게 증가합니다. 전체적으로 Trise는 초기값인 31.8℃에서 5.8℃ 증가하였다. 또한 ΔT 역시 1.3℃에서 2.7℃까지 동일한 상승 경향을 보였다. 이는 식(2)에 따른 고전류에 기인한다. 이 기간 동안 전류에 대한 모듈 1의 감도도 달라집니다. 또한, 두 번의 충전 사이클에서 Trise 패턴도 비슷한 경향을 보였습니다. 처음에는 상승했다가 하락하여 최종적으로 준정상상태의 온도를 유지합니다. 따라서 배터리 팩에 더 높은 전류를 인가하면 더 높은 Trise와 ΔT를 얻을 수 있다.

Δ T는 Tmax와 Tavg의 차이, Tavg와 Tmin의 차이로 나눌 수 있습니다. Tmax는 온도 구배에 매우 민감하고 시간에 따라 변하는 반면, Tmin은 전류 변화에 덜 민감합니다. 따라서 배터리 팩의 온도 변화에서 가장 중요한 부분은 Tmax의 거동에 따른다. 즉, 전류에 큰 차이가 있을 때 Tavg와 Tmin의 차이가 선형적으로 변하며, 기울기가 변하게 됩니다. Tmax와 Tavg의 차이는 전류에 매우 민감하며 시간이 지남에 따라 기울기가 증가합니다. 따라서 두 번째 시나리오에서는 큰 전류 차이의 상당한 변동을 제외하고 ΔT는 정전류와 동적 전류 모두에서 선형 동작을 나타내지 않습니다. 향후 연구는 이 연구에서 얻은 결과를 바탕으로 효율적인 냉각 시스템을 개발하고 리튬 이온 배터리 팩의 성능과 안전성을 향상시키기 위한 다양한 열 관리 전략을 탐구하는 데 중점을 두어야 합니다.

5. 요약

이 기사에서는 동적 전류 하에서 48V 리튬 이온 배터리 팩의 열적 동작을 연구합니다. 이는 특히 높은 전력과 에너지 밀도가 필요한 응용 분야에서 리튬 이온 배터리 팩의 안전하고 안정적인 작동을 이해하는 데 중요합니다.

실험 결과는 배터리 팩의 온도 동작이 복잡하고 비선형적이며 다양한 배터리, 모듈 및 전체 배터리 팩 간에 차이가 있음을 나타냅니다. 더 나은 대류 열 전달로 인해 배터리 팩 외부 온도는 내부 배터리보다 낮으며 단일 배터리의 양극 단자 온도는 음극 단자 온도보다 높습니다. 모듈은 고전류에 더 민감하여 온도 상승과 발열이 더 빨라집니다. 이는 동일한 리튬 이온 배터리 팩의 모든 모듈을 연구해야만 얻을 수 있습니다.

배터리 팩의 온도 동작은 주로 전류에 더 민감한 Tmax의 영향을 받습니다. Trise는 주로 높은 전류와 분리막을 통한 리튬 이온의 이동으로 인해 발생하는 열로 인해 발생합니다. Tmin과 Tavg의 차이는 정전류에서 선형적으로 변하는 반면, Tmax와 Tavg의 차이는 전류 변화, 특히 큰 전류 차이에서 비선형적으로 변합니다.

전반적으로 연구 결과는 동적 전류 하에서 리튬 이온 배터리 팩의 복잡성과 비선형 동작을 이해하기 위해 각 배터리, 모듈 및 전체 배터리 팩의 열 동작을 개별적으로 검사하고 평가하는 것이 중요하다는 것을 나타냅니다. 본 연구 결과는 향후 자동차 애플리케이션의 리튬이온 배터리 팩을 위한 보다 효율적이고 안정적인 배터리 열 관리 시스템 개발에 기여할 것입니다. 배터리 열 관리 전략 및 매개변수를 결정할 때 Tavg 모듈 간의 차이, Tmax에 대한 Tavg의 의존성, 온도 변화에 대한 배터리 위치의 영향을 고려해야 합니다.