Mengungkap Teknologi Tegangan Diferensial: Cara Memprediksi Perubahan Suhu Di Dalam Baterai Lithium-ion Secara Efisien

Abstrak

Kinerja baterai lithium-ion sangat bergantung pada suhu pengoperasian baterai. Namun, data suhu yang biasanya diperoleh diukur dengan termokopel yang dipasang pada permukaan baterai, yang mungkin tidak secara akurat mencerminkan suhu sebenarnya di dalam baterai, terutama pada suhu lingkungan yang rendah dan laju pengosongan yang tinggi. Artikel ini akan memperkenalkan metode inovatif yang memanfaatkan teknologi tegangan diferensial untuk memprediksi suhu internal baterai soft pack lithium-ion 40Ah. Perbedaan antara pengukuran suhu internal dan eksternal bergantung pada laju pelepasan dan suhu lingkungan. Selama proses pelepasan terus menerus, perbedaan antara permukaan dan suhu terukur meningkat pada tahap awal pelepasan, mencapai puncaknya pada tahap tengah, dan kemudian menurun pada tahap akhir pelepasan. Hasil penelitian ini dapat secara aktif mendukung strategi pengendalian pada sistem manajemen baterai (BMS).

1. Pendahuluan

Dengan meningkatnya perhatian terhadap permasalahan lingkungan dan komitmen pemerintah untuk mengurangi emisi, kendaraan listrik (EV) semakin dinilai sebagai solusi potensial. Salah satu faktor kunci keberhasilannya adalah sistem penyimpanan energi (ESS) yang digunakan. ESS yang ideal harus memiliki kepadatan energi dan daya yang tinggi, masa pakai yang sangat baik, dan menunjukkan keandalan dalam berbagai kondisi pengoperasian seperti siklus mengemudi, suhu, dll. Dalam teknologi baterai komersial, baterai lithium-ion telah menjadi pilihan utama untuk kendaraan listrik murni (BEV). ) karena kepadatan energi/daya volume dan beratnya yang tertinggi.

BEV yang berbasis baterai lithium-ion akan secara signifikan mengurangi jangkauan dan kinerja dayanya pada suhu rendah dan kondisi laju C tinggi. Alasan penurunan kinerja termasuk penurunan konduktivitas elektrolit, penurunan difusi litium solid-state, polarisasi anoda grafit yang tinggi, dan kinetika transfer muatan yang lambat. Dalam studi baterai lithium-ion 2,2 Ah 18650, kinerja elektrokimia baterai sangat bergantung pada suhu pengoperasiannya. Namun, suhu pengoperasian baterai biasanya diukur dengan termokopel yang dipasang pada permukaan baterai, yang mungkin tidak mencerminkan proses elektrokimia di dalam baterai secara akurat. Pengukuran tegangan diferensial (DV) digunakan untuk menyimpulkan keselarasan stoikiometri elektroda pada atau mendekati kesetimbangan untuk mendeteksi penurunan kapasitas. Untuk menghindari fenomena perpindahan muatan, arus tinggi harus dihindari. DV mewakili variasi tegangan per unit kapasitas pelepasan (dV/dQ), yang mencerminkan dampak kumulatif kondisi pengoperasian (suhu sekitar, laju C, SOC, impedansi, dan pemanasan sendiri) pada baterai.

Tujuan artikel ini adalah menggunakan teknologi DV untuk memprediksi "ketahanan efektif" baterai pada arus pengosongan kontinu yang berbeda pada suhu sekitar mulai dari -20 hingga 25 derajat C, lalu memprediksi suhu internalnya. Penyimpangan antara suhu permukaan baterai internal dan suhu terukur berhubungan langsung dengan arus pelepasan dan menurun seiring dengan penurunan suhu lingkungan. Prediksi ini dapat membantu meningkatkan keakuratan estimasi suhu baterai dan meningkatkan strategi kontrol dalam sistem manajemen baterai (BMS).

2. Metode penelitian

A. Detail eksperimental

Untuk menyelidiki perilaku baterai, baterai soft pack lithium-ion berbobot 00,97 kilogram dengan elektroda positif NMC telah diuji. Baterai memiliki tegangan nominal 3,7 volt dan kapasitas 40 ampere jam. Termokopel tipe K dipasang di pusat geometris permukaan utama baterai paket lunak. Baterai ditempatkan di sel panas Votsch dan menjalani siklus pengisian dan pengosongan menggunakan cycler baterai Bitrode. Pengujian dilakukan pada empat suhu lingkungan yang berbeda: -20 derajat C, -10 derajat C, 0 derajat C, dan 25 derajat C. Pengisian daya hanya dilakukan pada 25 derajat C, pengisian daya pada laju 0.5C (20 amps) hingga tegangan mencapai 4,2 volt. Arus pengisian kemudian turun menjadi 0.05C dengan tetap mempertahankan tegangan 4,2 volt. Arus pelepasan yang digunakan antara lain 0,1C, 0,2C, 0,5C, 1C, 2C, 5C, dan 8C. Parameter yang diukur secara langsung meliputi tegangan baterai (V), kapasitas (Ah), daya (W), energi pelepasan (Wh), dan suhu permukaan baterai (diukur) (derajat C). Tegangan potong baterai ini adalah 2,7 volt.

B. Untuk menghitung "suhu internal" dari parameter pengukuran menggunakan teknologi tegangan diferensial, kami telah mengambil langkah-langkah berikut untuk prediksi suhu internal (lihat Gambar 1):

1. Perhitungan perubahan tegangan:Hitung perubahan tegangan (∆ V) pada setiap langkah waktu.

2. Perhitungan resistansi efektif:"Resistansi efektif" R adalah fungsi linier DV, diperoleh dengan membagi ∆ V dengan arus pelepasan.

Gambar 1. Model pembangkitan panas sederhana

3. Perhitungan pembangkitan panas:Hitung kalor yang dihasilkan pada setiap langkah waktu Qgen=∆ V ²/R.

4. Perhitungan konduksi panas:Perhitungan konduksi panas dari inti baterai ke permukaan adalah Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), dengan k adalah konduktivitas termal planar baterai, A adalah luas permukaan, dan L adalah jarak antara inti baterai dan permukaan.

5. Perhitungan perpindahan panas konvektif:Perhitungan perpindahan panas konveksi pada permukaan baterai adalah Qconv=(h × A × (T-Tamb)), dimana h adalah koefisien perpindahan panas konvektif dan Tamb adalah suhu lingkungan.

6. Perhitungan perubahan suhu:Hitung perubahan suhu ∆ T setiap detik sebagai (QGen Qcond QConv)/(m × C). Di sini, t adalah langkah waktu (dalam detik), m adalah 00,97 kilogram, dan C adalah kapasitas panas. Dengan asumsi Qbond nol pada t=0 detik, maka gunakan Qbond dari langkah waktu sebelumnya.

7. Perhitungan suhu internal:Hitung suhu internal dengan mengintegrasikan ∆ T pada setiap langkah waktu.

Metode ini memberikan pendekatan baru untuk memprediksi suhu internal baterai secara akurat dengan mempertimbangkan kinerja elektrokimia dan karakteristik termalnya secara komprehensif, yang sangat penting untuk mengoptimalkan sistem manajemen baterai (BMS) dan meningkatkan kinerja baterai.

Tabel 1. Parameter baterai baterai kantong lithium-ion

3. Hasil dan Pembahasan

A. Pengaruh laju C dan suhu lingkungan terhadap kapasitas pelepasan dan energi pelepasan

Hasil percobaan menunjukkan bahwa energi yang dikeluarkan baterai semakin berkurang seiring dengan meningkatnya C-rate dan penurunan suhu lingkungan. Hal ini karena peningkatan impedansi baterai menyebabkan penurunan tegangan baterai lebih cepat, termasuk penurunan konduktivitas ion, peningkatan resistansi elektrolit, polarisasi anodik yang lebih tinggi, transfer muatan yang lebih lambat, dan difusi fase padat litium yang tidak mencukupi.

Gambar 2. Evolusi tegangan dengan pelepasan energi pada suhu lingkungan dan laju c yang berbeda

Saat pemakaian pada suhu 5C pada -10 derajat C, tegangan akan naik untuk jangka waktu yang cukup lama selama siklus pelepasan. Hal ini karena pemanasan sendiri menyebabkan suhu baterai meningkat, sehingga terjadi penurunan resistansi elektrolit akibat peningkatan konduktivitas ion dan laju difusi garam, sehingga membuat energi pelepasan lebih tinggi dibandingkan saat pelepasan isotermal. Pada -10 derajat C, kapasitas pelepasan 5C 3,6% lebih tinggi dibandingkan 1C, namun energi pelepasan 2,9% lebih rendah; Pada suhu 0 derajat C, kapasitas pelepasan 5C adalah 1% lebih tinggi dari 1C, dan energi pelepasan 5,3% lebih rendah, menunjukkan bahwa manfaat kapasitas yang dihasilkan oleh pemanasan sendiri mungkin terlalu berlebihan, dan sebagian besar peningkatan kapasitas adalah digunakan untuk pemanasan baterai.

Gambar 3. Evolusi tegangan baterai dengan kapasitas pelepasan pada suhu lingkungan dan laju c yang berbeda

B. Pengaruh laju C dan suhu lingkungan dalam memprediksi suhu internal menggunakan tegangan diferensial

Gambar 4. Resistensi efektif dan pelepasan energi pada suhu lingkungan dan laju C yang berbeda

Resistansi efektif umumnya meningkat dengan penurunan suhu lingkungan dan peningkatan laju C, yang berarti bahwa pada titik tertentu dalam siklus pelepasan, tegangan berubah lebih signifikan seiring dengan pelepasan energi. Pada suhu lingkungan yang lebih rendah, terutama pada laju C yang tinggi, resistansi efektif lebih tinggi karena konduktivitas ion yang rendah, transfer muatan yang lambat, resistansi elektrolit yang tinggi, dan difusi keadaan padat yang lambat. Hal ini konsisten dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa resistansi DC meningkat seiring dengan penurunan suhu lingkungan dan peningkatan laju C, dan resistansi efektif meningkat pada akhir pelepasan. Meskipun tingkat pemanasan sendiri pada pelepasan 5C tinggi pada -10 derajat C, ketahanan efektifnya masih yang tertinggi, kemungkinan karena waktu pelepasan yang singkat.

Gambar 5. Perbandingan suhu internal (I) dan suhu terukur (M) pada laju C yang berbeda pada suhu sekitar 25 derajat

Gambar 6. Perbandingan suhu internal (I) dan suhu terukur (M) pada laju C berbeda pada suhu sekitar 0 derajat

Selama pelepasan, suhu terukur dan suhu internal meningkat, dengan kenaikan suhu lebih tinggi dan peningkatan suhu internal lebih besar pada laju C tinggi dan suhu lingkungan rendah. Konsisten dengan penelitian lain, perbedaan maksimum antara suhu internal dan suhu terukur selama siklus pelepasan (∆ T) sebanding dengan laju C yang sesuai, dan perbedaan tersebut meningkat seiring dengan penurunan suhu lingkungan. ∆ T dalam kondisi pengoperasian berbeda dalam artikel ini sedikit lebih tinggi dibandingkan penelitian yang hanya menyelidiki gradien suhu permukaan, namun lebih konsisten dengan penelitian yang membandingkan suhu internal dan permukaan, yang menunjukkan bahwa perkiraan suhu internal dalam artikel ini mewakili rata-rata keseluruhan suhu baterai, dan suhu yang diukur berasal dari pembacaan sensor permukaan/termokopel. Perbedaan antara suhu internal baterai dan suhu terukur umumnya meningkat seiring dengan pengosongan daya, mencapai puncaknya di tengah pengosongan, dan kemudian menurun. Besarnya perbedaan meningkat seiring dengan peningkatan laju C dan suhu lingkungan.

Gambar 7. Perbandingan suhu internal (I) dan suhu terukur (M) pada laju C yang berbeda pada suhu sekitar 25 derajat.

Gambar 8. Evolusi suhu internal dan pengukuran perbedaan suhu baterai setiap pengosongan 30 Wh

4. Ringkasan

Pada suhu sekitar yang lebih rendah, manfaat kapasitas dari pemanasan sendiri mungkin terlalu tinggi dan mungkin tidak berarti peningkatan energi yang tersedia untuk baterai.

Keterbatasan efek pemanasan sendiri:Di lingkungan bersuhu rendah, meskipun efek pemanasan otomatis baterai dapat meningkatkan kapasitas pengosongan, hal ini tidak selalu berarti bahwa energi yang dilepaskan oleh baterai akan meningkat. Hal ini karena peningkatan kapasitas terutama digunakan untuk memanaskan baterai, bukan untuk melakukan pekerjaan atau menyediakan lebih banyak energi listrik.

Resistansi efektif baterai lebih besar pada arus pelepasan yang lebih tinggi dan suhu lingkungan yang lebih rendah.

Hubungan antara resistensi efektif dan kondisi pengoperasian:Resistansi efektif merupakan parameter penting baterai dalam kondisi pengoperasian tertentu, yang meningkat seiring dengan peningkatan arus pelepasan dan penurunan suhu sekitar. Hal ini menunjukkan bahwa konduksi ion dan transfer muatan di dalam baterai lebih terhambat pada kondisi pelepasan arus tinggi dan suhu rendah.

Perbedaan antara suhu internal baterai dan suhu permukaan baterai yang diukur meningkat seiring dengan peningkatan arus pengosongan dan penurunan suhu lingkungan.

Hubungan antara perbedaan suhu dan kondisi pengoperasian:Perbedaan antara suhu internal dan suhu permukaan (∆ T) berhubungan langsung dengan arus pelepasan dan suhu lingkungan. Ini berarti bahwa dalam lingkungan dengan debit arus tinggi dan suhu rendah, suhu di dalam baterai mungkin jauh lebih tinggi daripada suhu permukaan, sehingga sangat penting untuk manajemen termal dan optimalisasi kinerja baterai.

Selama siklus pengosongan, perbedaan antara suhu internal baterai dan suhu permukaan baterai yang diukur meningkat pada tahap awal pengosongan, mencapai puncaknya pada tahap tengah, dan kemudian menurun pada tahap pengosongan akhir.

Perubahan dinamis dalam perbedaan suhu:Tren perbedaan suhu antara bagian dalam dan permukaan baterai selama pengosongan baterai mencerminkan kompleksitas dinamika termal internal baterai. Perbedaan ini meningkat pada tahap awal pengosongan daya, kemungkinan disebabkan oleh peningkatan pesat panas yang dihasilkan secara internal saat baterai mulai pengosongan daya. Puncaknya pada pertengahan pengosongan mungkin disebabkan oleh suhu internal baterai yang paling tinggi, sedangkan penurunan menjelang akhir pengosongan mungkin disebabkan oleh penurunan panas yang dihasilkan di dalam baterai dan permulaan pendinginan.

Pengamatan ini sangat penting untuk desain dan optimalisasi sistem manajemen baterai (BMS), karena memberikan informasi berharga tentang perilaku baterai dalam kondisi pengoperasian yang berbeda. Dengan memahami dan memprediksi fenomena ini, suhu baterai dapat diatur secara lebih efektif, sehingga meningkatkan kinerja dan masa pakai baterai.