小型锂电池快速充放电过程的热性能外文翻译资料

 2021-11-02 10:11

英语原文共 8 页

小型锂电池快速充放电过程的热性能

摘要:

电动汽车的二次电池(EV)在快速充放电循环过程中产生大量的热量,电流水平超过电池的额定值,例如当电动汽车快速开始消耗电池电量时,或在突然停车时恢复惯性能量时。在这些快速的充放电循环中,可能使电池温度升高到允许的限度以上。我们计算了一个很小的温升锂离子二次电池的快速充放电周期。采用所述方法对热源因素进行了重新测定,我们之前的研究结果,显示出较低的过电位电阻,因此这里报道的电池的性能已经得到了改善,显示出较低的过电位电阻。电池热采用双传热式量热计测量了热容,并确定其为温度的线性函数。更进一步,热传递利用我们之前研究中描述的方法再次精确测量的系数被安排为细胞和环境温度的函数。用这些实测数据计算的电池热行为模型与所测得的电池温度在较好热电偶快速充放电周期吻合。同时,计算了电池径向温度分布较小,并进行了验证实验。

1.介绍

电力供应和需求之间的负荷平衡,要求在夜间储存多余的电力,以便在用电高峰时使用,在白天推广是为了缩小电力需求在白天和供应在夜间两者之间的差距[1]。此外,混合动力和电动汽车(EV)也越来越多实用,以减轻汽车数量的增加所产生的空气污染。许多机构都开展二次锂离子的研究与开发电池,因为他们有高能量和能量密度的结合,具有较高的充放电效率。因此,由于这些电池的潜力,人们对它们对于电力储存和电动汽车寄予了厚望。快速充电和放电电流高于电池额定电流预计将用于大电池这些应用程序。然而,随着电池体积的增大,这一比例也随之增大,热冷却面积减小,热产生体积减小随着充放电电流的增加,会产生更多的热量。电池的温度因此急剧上升,导致温度有可能超过允许的水平。此外,充放电特性有所改善,电池温度上升。因此,当温度分布在电池内部时,局部电池性能变差,电池内电流分布不均匀,呈倾斜状成为局部恶化的根源。已经有很多关于电池材料和结构的报道,但很少关于这种电池的热行为有报道。因此,我们着手建立一个模型来分析大型锂离子二次电池在使用过程中快速充放电循环的热行为。首先,在之前的研究中[3],我们测量了过电位电阻和熵变的热源项,不管这些测量值是多少仅在低于电池额定放电电流的情况下进行电流。利用这些测温数据,由我们建立的热行为模型计算电池温度并与实测电池温度进行比较。在这个研究中,实测和计算的温度基本良好,验证了我们的热行为模型的可靠性。对于目前的研究,我们试图扩展可用性,通过测试该模型的适用范围是否也适用于快速充放电周期以及是否超过电池的额定电流。使用小型锂离子二次电池配合使用改进后的特性,我们再次测量了过电位电阻,熵变,和更精确的从电池到周围空气的传热系数。用热量表对电池的热容进行了测量。使用这些测量数据,使电池在快速充电时的温度升高并利用热行为模型计算了放电循环。对电池温度进行了数值比较,通过对电池在自然对流条件下冷却温度的实测,表明计算得到的温度大部分为自然对流条件下的温度测量结果,说明如下。此外,还对对电池径向温度进行了一维分析测试,确定了径向温度电池中的分布几乎是恒定的,这也得到了实验验证。

2.热行为模型

2.1.锂离子二次电池的充放电反应和热源项

这里测试的电池有一个钴锂正极为氧化物(LiCoO2),石墨碳为负极,和一种溶解在有机溶液中的锂盐电解质的充放电反应记为[4]:

在正电极:LiCoO2充放电转化CoO2 Li eminus;

在负电极:C6 Li eminus; 充放电转化LiC6

总电池反应:LiCoO2 C6充放电转化CoO2 LiC6

式中为锂离子的空位。

锂离子二次充放电反应电池分别是吸热的和放热的。如果电池反应理想可逆,热力学方程在恒定温度T和恒定压力下,[5]生成以下关系:G = H minus; T S (4)。

其中Tcell为电池温度,I充电/放电电流(定义为充电周期为正),F法拉第常数,电动势电池为开路电势,n为充电数用于修饰或说明反应(锂离子电池的n = 1)。的充放电循环的反应方向相反因此,在电荷周期中QS是吸热的放电循环放热的。当电流流过电池时,电池电压为V由于电化学作用而偏离开路电位V0极化。这种极化引起的能量损失随着时间的推移而消散热量。该过电位热QP描述为:QP = I(V minus; V0) = I2Reta; (7)

其中QP在充放电过程中都是放热的。当V之间的区别和V0表示为IReta;,QP从耐过电压Reta;可以确定。

2.2.热行为模型由一名代表描述温度

在模型由代表性温度Tcell表示的情况下,Tcell可以描述为热平衡方程,它是细胞热之间的关系容量,QS, QP,和向外界传递的热量,其中Ccell为电池的热容、t时间、Tamb环境温度,A细胞的总表面积包括一个圆柱面和两端的表面,和h的传热系数。如果整个电池的温度是一致的在充放电周期中,可以进行比较具有代表性的电池温度,这可以方便由式(8)计算,测得细胞温度表面。

2.3.细胞温度的一维分析分布

计算了径向温度分布估算螺旋缠绕圆柱形电池在快速充放电周期内的温度分布。首先,考虑了具有展开式单元的等效电路正极和负极以及电解质片,假设在以下条件下计算电流分布:(1)扩展单元由具有性能的局部单元组成,在能量转换时剩余能量在哪里电池反应和电学的焓变H功G (= - nFEemf)可由热能补偿(ts)热QS除以熵变S用可以用充放电特性来描述一种小型锂离子电池,如图3所示;(2)没有电流沿所述活性材料层的片材流动;(3)没有电流沿圆柱形细胞轴(即方向)分布电极宽度),由于其良好的导热性和电导率;(4)电流采集引线的电阻可以被忽略。基于这些假设,当前的I1和I2在电流采集板上的正极和负极,分别与电解液中的电流密度J可以描述如下:

这里x是沿电流方向与负导线的距离收集表,荷电状态SOC,电池电压Vx在x处,J、SOC和Tcell的函数。r是电阻电流采集表的单位长度,H为表宽,CS为电极单位面积电容,后缀i表示初始条件。然后,将展开单元螺旋绕制而成电流分布用于计算径向温度在下列假设下的分布:(1)热细胞的导电性沿径向是恒定的;(2)沿细胞轴的温度分布太小了忽略;(3)电池的导热性、比重等物理性质在充电过程中不会发生变化放电周期;(4)电解质没有对流。基于这些假设,得到了径向温度分布可以用下面的轴对称方程来描述一维热传导。

Ccell是细胞的热容,lambda;和R表示热导率和细胞半径分别为。问年代和问P分别为局部熵和过势能热,将Eq.(5)的q和Eq.(7)的QP除以细胞体积。将得到的温度分布代入式(10)直到电流和温度分布为聚合。

3.热源因素测量

这里测试的电池是商用的圆柱形锂离子电池(Sony-US18650G3, 1800毫安)额定容量,直径18毫米,长度65毫米)。为了在恒温下测量电池的热源因素与之前的研究相似,一个细胞被充放电后用薄钢板包好用于电气绝缘和浸泡在恒温器中。在这项研究之前每次测量都有一个细胞被充放电在额定条件下进行两次,以消除任何以前的充放电历史。荷电状态(SOC)设置为1.0和0.0,分别在额定充放电周期结束时。此处额定电流定义为放电电流1小时额定容量为1800毫安。额定充放电周期定义为恒定的充电周期电流为1C (1.8 A) (xC为额定电流的倍数x),接恒定(端子)电压4.2 V,持续3h,恒流0.2C (0.36 A)放电循环直到终端电压为2.7 V,然后是间歇时间3 h。

3.1.测量过电位电阻

我们用四种测量方法测量了快速充放电循环中电流均匀时的电阻,均超过额定水平。

3.1.1.电阻由V-I特性决定

充电试验在恒流0.2-1.7C,电池温度20,30和40◦C进行。此外,在恒流0.2-3.0◦C的放电试验是在电池温度20,30,40和50◦C进行的。在充放电循环,电流越高,速度越快达到充放电端电压。这在充电周期中非常显著。将得到的恒流充放电数据作为SOC的参数。用于充电的V-I特性如图1所示。V-I的特征主要是线性,斜率给出过电位电阻R(V-I)对于每一个SOC。这里,斜率可以用以下三种方法:(1)采用最小二乘近似,假设V-I特征总体上为a直线;(2)一是确定各电流V-I特性曲线的梯度;(3) 1除以最小二乘近似假设V-I特征是线性的额定电流或更小,电阻由这些决定。图2比较了三种方法。

三种方法测定的电阻的方差很小,根据第三种方法确定的斜率在30◦C的放电周期小于10%,此外,在40◦C及以上所有阻力匹配良好。当充放电电流大于额定电流,研究了锂离子在活性材料中的运动具有一定的扩散电阻,因为充电电压为增加的电压远远大于线性外推的电压和放电电压下降幅度远小于线性下降幅度外推的电压。所以得到了第三个电阻,由线性V-I特性在额定电流或更小时,可以为无活性物质扩散的电阻。如图3所示为代表电阻

对于充放电循环。阻力增加随着充放电过程的进行,随着电池温度的升高而降低。另外,温度为30摄氏度或以上在充电周期,和40◦C或以上在充电周期放电循环时,电阻随温度变化不大。此外,图3也显示了我们之前研究的阻力(在40◦C)在放电周期,并表明目前电池电阻大约是之前数据的一半。从由此可以看出,电池的特性一直都在改善。

3.1.2.电阻由开路间的差值决定电压(OCV)和电池电压

电池充放电周期电压V偏离开路电压V0。过电位电阻R(OCVCV)也可以通过这些电压差除以充放电电流得到。这里,V0略有变化,一段时间后,刚刚充电/放电。在本研究中,电池调整到一个给定的SOC与0.2◦放电充满电后的电流。电池电压经过21小时考虑自SOC调整时间起的稳定周期为V0,被认为不受活性物质扩散的影响。图4比较了前一节确定的R(V-I)与R(OCV-CV)在本节在30◦C和1C。这个数字结果表明,充电和放电循环,即使当电池温度或充放电电流改变,两者的R(OCV-CV)与R(V-I)几乎相同。

3.1.3.间歇充放电电阻

过电位电阻R(60 s)可以简单地测定间歇充/放电(60秒)。电池充满电后,SOC以0.1个增量下降,R(60 s)采用间歇放电法测定,每次放电开始后60秒,电压降V60秒,由放电电流决定。然而,使用的是平均SOC,随着SOC在60秒后发生变化。间歇充电测量是以同样的方式进行的。图4还显示了R(60秒)在30◦C和1C。即使电池温度或充放电电流发生变化,R(60 s)和R(OCV-CV)几乎等于R(V-I)。

3.1.4.用交流阻抗计测量电阻

在电化学领域,他们通常使用交流电测量电池电阻的阻抗计。在这里我们也用交流电流测量过电位电阻,在频率范围为20 khz - 25mhz,使用电化学测量单元(Solartron 1280 b)。在以前的研究中,测量的电阻不依赖于放电电流,因此电阻这里也测量了没有任何充放电电流。

图5为实测科尔-科尔曲线。图4也显示了复阻抗的实部为R(AC),通过扩散忽略了瓦堡阻抗。R(AC)的值变成大约是R(V-I)的一半。根据这里描述的电池,大约有一半的电阻再次被测量出来之前的研究。

3.2.熵变测量

经试验研究,即使和之前的电池型号一样,电池性能得到改善,我们重新测量额外的热源项,熵改变。和以前一样,电池被调节到一个给定的值,SOC则首先浸入40◦C恒温水为21小时,电池在10、20、30◦C的温度下维持3小时,测量oppericuit电压V0的温度变化dV0/dT。图6将这里测量到的S与前面的数据,用Eq.(6)中的Eemf近似为V0。在之前的研究中,S在SOC = 0.8附近为阳性。然而,这里所用电池的温度S发生了变化,只有轻微的变化,但是在SOC的整个范围内,平均温度S变为负值。因此,熵热QS为放电周期放热,充电周期吸热。

4. 热容量和传热的测量系数

4.1.测量电池热容

与以往的研究不同,这次的热容采用双量热器(SETARAM)对电池进行了测量C-80)[7],将电池温度从20℃提高到90◦C at定速0.4◦C min - 1。采用一阶近似对实测数据进行了热响应滞后补偿时间常数[8]。确定了电池的热容后,从补偿热响应的范围内升温速率为常数,热容为常数近似为温度的线性函数,如式所示图7。

4.2.测量电池的传热系数周围的空气

充放电用的引线焊接在电池上,它们比没有引线的电池更能促进传热。为了再次准确测量热量,从电池到环境空气的传递系数,电池降温的测量方法与之前的研究相似,具体如下:蓄电池在水平状态下由导线悬挂在恒温环境空气中,在恒温器中加热到90◦C后通过自然对流冷却。由于温度下降,如图8所示,测量了电池(包括导线)在10到80摄氏度范围内的传热系数。比较这些测量利用空气[9]中水平圆筒传热排列方程的值,对铅丝电池进行修正,如图9所示。

该修正因子()近似为一条实线,如图9所示。将纯水平圆柱的传热系数乘以修正系数,再乘以热带引线的真实电池的传递系数h可近似为实线上方的实线,与实测值()相匹配。

5. 计算电池温升和与实测值的比较

5.1.将测量到的热源因素纳入分析

为了分析电池在充放电循环过程中的热行为,前几节测量了确定过电位热的过电位电阻、确定熵热的熵变、电池热容以及电池与环境空气的传热系数。耐过电压Reta;测量了四种方法在3.1节。在接下来的分析中,根据电池的V-I特性at1C及以下确定的过电位电阻R(V-I)主要作为电池温度和SOC的函数。分析中使用的熵变为电压V0温度变化的温度平均值,近似为SOC的函数。电池热容Ccell近似为电池温度的线性函数(式(15))。与我们之前对镍氢电池[9]的研究一样,利用修正因子和传热方程确定了热传递系数h,后者是电池温度Tcell和环境温度Tamb的函数。

5.2.温度分布的一维分析在电池

图10为32.5◦C初始(环境)温度3C放电循环时电池温度径向分

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