性能と安全性のバランス: 48V リチウムイオン電池パックの充放電熱特性の包括的な分析

この記事では、25 個の熱電対を使用して、2 つの充放電サイクル中の 48 V リチウムイオン (Li イオン) バッテリー パックの温度分布と挙動を実験的に研究します。結果は、中間バッテリーが最高温度に達する間に、パッケージングの外面でより良好な対流熱伝達が発生することを示しています。 3 つのモジュールの動作にも違いが観察されました。放電サイクルでは 5.8 ℃の温度上昇が見られ、バッテリーパックの温度勾配は 1.3 ℃ から 2.7 ℃ に増加します。この研究では、各モジュールの熱挙動とリチウムイオンの複雑さを評価することの重要性が強調されています。バッテリーパックシステム。同じ研究で、バッテリー、モジュール、バッテリー パックに関する発見により、リチウムイオン バッテリー パックの効率的な冷却システムを設計するための貴重な洞察が得られます。

1. はじめに

リチウムイオン電池:充電式リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、比出力が高く、軽量で、自己放電率が低く、リサイクル性が高く、寿命が長いため、マイルドハイブリッド車に適したエネルギー貯蔵装置と考えられています。過去 13 年間で、リチウムイオン電池パックの価格は大幅に下落しました。しかし、高温と不均一な温度分布がリチウムイオン電池の主な問題であり、温度はリチウムイオン電池のライフサイクルとエネルギー容量に重要な役割を果たします。

以前の研究の欠点:マイルドハイブリッド車のリチウムイオン電池の熱挙動に関するこれまでの研究は、主に個々のバッテリーまたはバッテリーパックに焦点を当てており、外部パラメーター（他のバッテリーの存在など）がバッテリーの熱挙動に及ぼす影響についての詳細な分析が不足していました。さらに、48V リチウムイオン電池パックの熱挙動に関する研究範囲は限られており、電池パック全体の詳細な温度分布に関する実験研究は不足しています。

この研究の目的:48V リチウムイオン バッテリー パックの 2 回の完全な充放電サイクルによる熱挙動を実験的に調査することです。 25 個の熱電対を使用してバッテリー パック内のさまざまな場所で測定することで、バッテリー パックの発熱に関する貴重な洞察を提供し、適切なバッテリー冷却システムの選択に役立てたいと考えています。

2. 実験による決定

リチウムイオン電池パラメータ:リチウムイオン電池は通常、アノード、カソード、電解質、集電体で構成されています。自動車産業では円筒形、角形、パウチ形の電池が使用されており、角形の設計によりスペースの利用率と柔軟性が向上します。この研究では、公称容量 8.23Ah の角形 NCM リチウムイオン電池を使用しました。このバッテリーパックは、12s3p 構成で接続された 36 個のバッテリーで構成されており、取り付けが簡単、モジュール式、安全性とコンパクトさ、車両重量への影響が最小限に抑えられ、高い費用対効果があるという利点があります。

実験的なレイアウト:実験的試験装置には、バッテリーパック、AVL PUMA システムによって制御される高電圧大電流 AVL バッテリーシミュレーター、2 つのデータ収集モジュール (ES620 ETAS) を備えた K タイプ温度センサー、およびデータを監視および保存するコンピューターユニットが含まれています。 25 個の熱電対を使用してバッテリーの温度を監視します。測定点はバッテリー パックの 3 つのモジュールにあります。熱電対は、同じバッテリーのプラス端子とマイナス端子の間の温度変化を検出するのに役立ちます。

充電および放電サイクル:2 回の完全な充電および放電サイクル テストが、初期温度と充電状態 (SoC) それぞれ 26 ℃ および 47% で実施されました。最大電流と最小電流はそれぞれ 237A と -237A でした。 SoC は最高値と最低値の 2 倍、つまり 91% と 10% に達し、SoC が初期値に達した時点でテストは終了しました。高温でのバッテリーパックの熱故障を避けるため、温度が 40℃ に達した時点でテストを終了しました。この研究では、2 回目のサイクルの終了時に温度限界に達しました。

理論的背景:バッテリーの温度の影響は、内部の材質と化学反応に関連しています。常温でのリチウムイオン電池の熱発生は、充電および放電プロセス中の電荷移動と化学反応に関連しています。熱の発生には、可逆過程（エントロピー熱）と不可逆過程が含まれます。熱力学の法則によれば、バッテリー内で発生する熱の過渡的な挙動は、さまざまな温度変化を引き起こす可能性があります。リチウムイオン電池と電池パックの熱挙動を研究するために、最高温度、最低温度、温度差、平均温度などの命名規則と温度に関連するパラメータが定義されました。

3. 結果

SOCと電圧

下の図はバッテリーパックの電圧、電流、SoCを示しています。試験時間は 2 サイクルの 8 つの部分に分割されており、LD、EC、LC、ED はそれぞれ後期放電、初期充電、後期充電、初期放電を​​表します。最初の部分 LD1 では、電流は -237A となり、バッテリー パックとバッテリー電圧が低下します。 EC1 セクションでは、電流は 237A、SoC は 33% に達し、バッテリー パックの電圧が増加します。 LC1 セクションでは、電流が 33A に低下し、バッテリー パックの電圧が増加します。 ED1 セクションでは、電流は -237A となり、SoC と電圧が低下します。 2 番目のサイクルでは、バッテリー パックの電流、SoC、電圧は最初のサイクルと同様の時間変化を示し、テストは 2105 秒で終了しました。

リチウム イオン バッテリー パックは通常、実際の用途では長時間にわたる高い定電流を必要とするため、BMS は安全性を確保するために出力を低減します。上の図は、バッテリーの熱管理により、充電後期に電流制限が突然減少することを示しています。

熱性能

図 a は、モジュール 1 の 8 つの熱電対の温度時間履歴を示しています。T1 と +12 の値は、テストの開始時にはモジュール温度範囲の中央にありましたが、テストの終了時には最低値まで低下しました。テスト。最初のサイクルの開始時の T1 と -01 は Tmin に等しく、モジュールの中央のバッテリーの温度が最も高かった。

図 b はモジュール 2 の温度分布を示しています。ここで、T2,-12 は Tmin、T2,+01 は 2 番目に低い温度、T2,+04 は Tmax です。

図 c はモジュール 3 の温度分布を示しています。ここで、T3、-01 は Tmin、T3、+12 は 2 番目に低い温度、T3、+04、T3、-06、 T3、-07 は Tmax です。

下図は電池パックと各モジュールの平均温度、最高温度、最低温度、温度差の時刻歴を示しています。 EC1とEC2のバッテリーパックの温度はそれぞれ1.6℃と1.2℃です。全放電サイクル (ED1 と LD2 の組み合わせ) では、トライゼ温度は約 5.8 ℃です。最大Δ T は、EC1 と EC2 の終わりでそれぞれ 2.0 ℃と 3.2 ℃です。最小Δ T は、1 回目と 2 回目の完全充電サイクル終了時のそれぞれ 1.3 ℃と 2.2 ℃です。T は、Tmax と Tmax の差に分割できます。 Tavg、および Tavg と Tmin の違い。 Tavg と Tmin の差は、電流が大きく変化すると線形に変化しますが、Tmax と Tavg の差は電流の影響を受けやすく非線形です。

4. ディスカッション

バッテリーの研究:同じリチウムイオン電池では、正極の温度は負極の温度よりも高く、最大温度差は約 0.6 ℃です。この現象は文献にも記載されています。さらに、2 つのサイクルの終わりに、Tmin はモジュール 1 の T1、+12、および T1、-01、モジュールの T2、-12、および T2、+01 に表示されます。 2、モジュール 3 の T3、-01、および T3、+12。これは、モジュール境界での対流熱伝達と冷却効果が向上するため、Tmin がバッテリー パックの外部バッテリーに現れることを示しています。表面温度と周囲温度との比較。また、各モジュールの Tmax は中央のバッテリーに表示されますが、これは対称ではなく、各バッテリーの動的挙動と温度の不均一性を示しています。この現象は、この動的システムの複雑さを示しており、バッテリー パック内のすべてのモジュールの温度挙動を評価することの重要性を強調しています。

モジュールの調査:モジュール 1 の Tavg は、LD、EC、ED、および LC の前半のバッテリー パックの Tavg よりも高く、モジュール 1 が他のモジュールよりも大電流に敏感であり、より多くの熱を発生し、温度の上昇が速く、他のモジュールよりも熱交換が優れています。これはバッテリー パック システムの複雑さを示しており、各モジュールの熱挙動を個別に調査および検査する必要があります。

バッテリーパックの研究:リチウムイオン電池、モジュール、電池パックでは、ED、LD、ECの温度が常に上昇します。したがって、Tmax は LC1 と LC2 の途中だけでなく、EC1 と EC2 の最後にも現れます。言い換えれば、大電流が流れると、より多くのリチウムイオンが膜を通過してより多くの熱を発生するため、温度が上昇します。したがって、LC の開始時に温度が低下し、その後、温度の準定常状態の挙動が観察されます。

2 つの充電サイクルの間の完全な放電サイクル中、温度は単調に増加します。全体として、Trise は初期値の 31.8 ℃から 5.8 ℃上昇しました。さらに、Δ T も 1.3 ℃から 2.7 ℃まで同様の上昇傾向を示しました。これは、式 (2) に基づく大電流によるものです。この期間中の電流に対するモジュール 1 の感度も同様です。さらに、2 つの充電サイクルにおける Trise パターンは同様の傾向を示しました。最初は上昇し、その後低下し、最終的には準定常状態の温度を維持します。したがって、より高い電流がバッテリーパックに印加されると、より高い Trise と Δ T が達成されます。

ΔT は、Tmax と Tavg の差と、Tavg と Tmin の差に分けられます。 Tmax は温度勾配の影響を非常に受けやすく、時間の経過とともに変化しますが、Tmin は電流の変化の影響をあまり受けません。したがって、バッテリー パック内の温度変化の最も重要な部分は、Tmax の動作によるものです。つまり、電流に大きな差がある場合、Tavg と Tmin の差は直線的に変化し、傾きが変化します。 Tmax と Tavg の差は電流に非常に敏感であり、時間の経過とともに傾きが増加します。したがって、2 番目のシナリオでは、大きな電流差での大幅な変動を除いて、Δ T は定電流と動的電流の両方で線形挙動を示しません。今後の作業は、この研究から得られた結果に基づいて、効率的な冷却システムの開発と、リチウムイオンバッテリーパックの性能と安全性を向上させるためのさまざまな熱管理戦略の探索に焦点を当てる必要があります。

5. まとめ

この記事では、動的電流下での 48V リチウムイオン バッテリ パックの熱挙動を研究します。これは、特に高い電力とエネルギー密度を必要とするアプリケーションにおいて、リチウムイオン バッテリ パックの安全で信頼性の高い動作を理解するために重要です。

実験結果は、バッテリー パックの温度挙動が複雑かつ非線形であり、異なるバッテリー、モジュール、およびバッテリー パック全体の間で差異があることを示しています。対流による熱伝達が優れているため、バッテリー パックの外側の温度は内部バッテリーよりも低く、単一バッテリーのプラス端子の温度はマイナス端子の温度よりも高くなります。モジュールは大電流に対してより敏感であり、その結果、温度上昇と発熱が速くなります。これは、同じリチウムイオン バッテリー パック内のすべてのモジュールを調査することによってのみ得られます。

バッテリー パックの温度挙動は主に Tmax に影響され、Tmax は電流により敏感です。トライゼは主に、高電流と、セパレーターを通過するリチウムイオンの移動によって発生する熱によって発生します。 Tmin と Tavg の差は、定電流下では線形に変化しますが、Tmax と Tavg の差は、電流変化、特に大きな電流差の下では非線形に変化します。

全体として、研究結果は、動的電流下でのリチウムイオンバッテリーパックの複雑さと非線形挙動を理解するために、各バッテリー、モジュール、およびバッテリーパック全体の熱挙動を個別に検査および評価することの重要性を示しています。この研究の結果は、将来の自動車用途におけるリチウムイオン電池パック用の、より効率的で信頼性の高い電池熱管理システムの開発に貢献するでしょう。バッテリーの熱管理戦略とパラメーターを決定するときは、モジュール Tavg 間の違い、Tavg の Tmax への依存性、および温度変化に対するバッテリーの位置の影響を考慮する必要があります。