Thermal Behavior and stability study of a lithium-ion battery pack with air cooling

Abstract

Las aplicaciones de las baterías de iones de litio están emergiendo cada vez más en la actualidad y es fundamental prestar especial atención a su rendimiento térmico. El mecanismo de enfriamiento juega un papel esencial como sistema de gestión térmica de la batería. El presente trabajo tiene como objetivo evaluar el comportamiento térmico de un módulo de baterías refrigerado por aire compuesto de baterías cilíndricas de iones de litio de tipo LiCoO2 (LCO) 26650 (diámetro 26 mm y altura 65 mm). Primero, se evaluó una sola celda comparando tres enfoques: un modelo térmico de parámetros concentrados o resistencia térmica despreciable, un modelo 3D de dinámica de fluidos computacional (CFD) y un modelo electroquímico. Antes de proveer más detalles, es importante definir la tasa C, la cual representa la medida de corriente de carga o descarga que se aplica a una celda con respecto a su capacidad nomimal. Por ejemplo, para una batería de 1 Ah cargada, 1C representa la corriente que descarga completamente la celda en una hora. A una tasa de descarga de 0.5C, el modelo electroquímico presenta el error más bajo. No obstante, este modelo proporciona el error más alto a 1.5C. Bajo un perfil de corriente que emula un ciclo de conducción, todos los modelos proporcionan el mismo orden de error. Luego, se evaluó el comportamiento térmico de un módulo de baterías con quince (3×5) celdas cilíndricas. Durante la descarga a convección libre, la temperatura de las células aumenta a medida que aumenta la corriente de descarga. La zona central del módulo de baterías alcanza la temperatura más alta al final de la descarga. Las mediciones del perfil de temperatura de las celdas concuerdan con las simulaciones numéricas. Además, se aplicó un modelo basado en filtro de partículas para estimar la temperatura del paquete de baterías durante el proceso de enfriamiento. Esta técnica predice satisfactoriamente la temperatura de las celdas y se puede implementar en el monitoreo en línea de las mismas. Dicho modelo también proporciona la evolución artificial de parámetros. Alternativamente, se llevaron a cabo simulaciones numéricas mediante CFD, cuya ejecución demanda un tiempo considerable, logrando mejorar ligeramente la estimación de la temperatura de las celdas en comparación con el filtro de partículas. Para tomar en consideración las condiciones extremas de funcionamiento de la batería, se describió el embalamiento o fuga térmica mediante un modelo de abuso térmico que se basa en la reacción térmica que tiene lugar en los distintos componentes de la batería. En términos generales, la fuga térmica ocurre cuando la tasa de generación de calor en la celda es mayor que el calor liberado. La temperatura de inicio de la fuga térmica depende principalmente del tipo de celda, la temperatura ambiente y el mecanismo de enfriamiento. Se describieron parámetros adimensionales que tienen en cuenta esos factores. Para una celda de LCO en convección libre, la fuga térmica se activa a una temperatura por sobre los 145 °C.