In extremen Bedingungen ist eine zuverlässige Energiequelle eines der Wichtigsten. Wenn Sie wissen möchten, welche Batterie für Ihre Situation am besten geeignet ist, sollten Sie zunächst wissen, wie sich kaltes Wetter auf sie auswirkt. Batterien reagieren sehr empfindlich auf häufige Temperaturschwankungen und bestimmte Wetterbedingungen, was sich auf die Batterielebensdauer auswirkt. Daher ist es wichtig, effektive thermische Batteriemanagementsysteme zu entwickeln, um die Wärmeableitung zu verbessern und Anforderungen wie hohe Leistung, schnelle Laderaten und verbesserte Leistung zu erfüllen. Diese schnellen Veränderungen der Batterien mussten sorgfältig überwacht und gesteuert werden, um sicherheits- und wärmebedingte Probleme zu vermeiden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Thermomanagement in einem Elektrofahrzeug wichtig ist, um die Lebensdauer der Batterie unter extremen Wetterbedingungen zu verlängern.
Verwendung von Lithium-Batterien bei kaltem Wetter:
Das Leben abseits des Stromnetzes kann gefährlich werden, wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen und Sie sicher sein möchten, dass Ihre Grundbedürfnisse gedeckt sind.
Blei-Säure-Batterien haben tendenziell eine geringere Leistung als ihr Lithium-Pendant. Das macht Lithium-Batterien zur ersten Wahl für alle, die Orte erkunden möchten, an denen die Temperaturen auf eisige Werte fallen. Der Schaden an der Batterie beim Laden bei kälteren Temperaturen ist proportional zur Laderate. Ein langsameres Laden kann den Schaden verringern, ist jedoch selten praktikabel. Temperaturen unter 0°C verringern sowohl die Effizienz als auch die nutzbare Kapazität von Lithium-Batterien, wobei dennoch 95–98 % der Kapazität mit nur geringen Verlusten zur Verfügung stehen.
Bei Temperaturen zwischen 0°C und -10°C dürfen Batterien nicht mit mehr als 1C geladen werden. Bei Temperaturen zwischen -10°C und -20°C dürfen Batterien nicht mit mehr als 0,05C geladen werden. Bei etwa -30°C sinkt die Ah-Kapazität der Batterie auf 50 %. Bei Frost (unter -30°C) verringert sich die Kapazität um 20 %. Diese Laderaten verlängern die Ladedauer erheblich und erschweren den gesamten Prozess. Beim Laden bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt werden die Lithium-Ionen in der Batterie wie von einem Schwamm vom porösen Graphit der Anode, dem negativen Pol der Batterie, aufgenommen.
Unterhalb des Gefrierpunkts werden die Lithium-Ionen jedoch nicht effizient von der Anode aufgenommen. Stattdessen lagern sich viele Lithium-Ionen auf der Oberfläche der Anode ab, ein Vorgang, der als Lithium-Plating bezeichnet wird. Das bedeutet, dass weniger Lithium für den Stromfluss zur Verfügung steht und die Kapazität der Batterie sinkt. Das Laden unterhalb des Gefrierpunkts mit einer ungeeigneten Laderate macht die Batterie zudem mechanisch instabiler und anfälliger für plötzliches Versagen. Sofern Ihr BMS nicht mit Ihrem Ladegerät kommuniziert und das Ladegerät nicht auf die bereitgestellten Daten reagieren kann, ist dies schwer zu steuern. Wenn Sie bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt laden, muss der Ladestrom 5–10 % der Batteriekapazität betragen.
Große Temperaturschwankungen
Auch die Ladespannung der Batterie ändert sich mit der Temperatur. Sie variiert von etwa 2,74 Volt pro Zelle bei -40°C bis 2,3 Volt pro Zelle bei 50°C. Deshalb sollten Sie bei Ihrem Ladegerät oder Laderegler eine Temperaturkompensation vorsehen, wenn sich Ihre Batterien im Freien befinden und/oder starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Wir beobachten eine wachsende Nachfrage nach Niedertemperaturbatterien (<– 40°C) aus bestimmten Bereichen wie Höhenflugzeugen, Polarexpeditionen, einigen militärischen Geräten und mehr.
Gleichzeitig haben die häufigen extremen Wetterereignisse, wie der jüngste Polarwirbel, der über die halbe Nordhalbkugel zog, viele Bedenken hinsichtlich der verringerten Reichweite von Batteriepacks sowie der verringerten Haltbarkeit von Batterien in vielen anderen Elektronikgeräten oder Elektrowerkzeugen ausgelöst. Dies verstärkt auch die steigenden Anforderungen an die Batterieleistung bei ultraniedrigen Temperaturen. Der Ursprung der elektrochemischen Leistungsverschlechterung bei niedrigen Temperaturen wurde wie folgt identifiziert:
- der Elektrolyt wird zähflüssiger oder gefriert sogar, was die Ionenmobilität und die Benetzbarkeit der Elektrode verschlechtert
- der Ladungstransfer innerhalb der Elektrode wird aufgrund des intrinsischen Korngrenzenwiderstands und der langsamen Metallionendiffusion im anorganischen Gitter deutlich erschwert
- die feste Elektrolyt-Grenzschicht (SEI) wird für Metallionen weniger durchlässig
- die Metallabscheidungsreaktion wird sehr problematisch. Diese Faktoren führen gemeinsam zu einer nachlassenden Kinetik, und die miteinander verknüpften Auswirkungen erschweren die Lösung des Problems zusätzlich
Fallstudie:
Um unser Modell mittels Thermoanalyse für Batterien zu testen, die unter extremen Wetterbedingungen wie -40°C betrieben werden, wurden folgende Schritte durchgeführt, und die Ergebnisse werden gezeigt:
- Festlegung der Testparameter:
• Definition der spezifischen Aspekte der thermischen Leistung unter Berücksichtigung der extremen Kälte (-40°C); wir haben die kritischen Temperaturgrenzen bzw. Leistungskriterien identifiziert, die die Batterien unter diesen extremen Wetterbedingungen erfüllen müssen. - Computergestützte Modellierung:
• Mithilfe einer Thermoanalyse-Software, die das thermische Verhalten der Batterie unter extremer Kälte simulieren kann, wird ein detailliertes virtuelles Modell des Batteriesystems erstellt, das dessen Geometrie, Materialien und interne Komponenten berücksichtigt; dabei wird sichergestellt, dass das Modell die physikalischen Eigenschaften der Batterien genau abbildet.
• Die Randbedingungen, einschließlich der auf -40°C festgelegten Umgebungstemperatur, der Wärmeerzeugungsraten, der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazitäten der beteiligten Materialien, wurden definiert, und Simulationen wurden durchgeführt.
- Experimentelle Tests (optionale Methode):
• Erwägen Sie die Durchführung experimenteller Tests in Kältekammern, um die Ergebnisse der computergestützten Modellierung mittels Thermoelementen oder anderer Temperaturmessgeräte zu validieren, um die Temperatur der Batterie während der Tests zu überwachen und deren Leistung, Kapazität und Stabilität zu bewerten
• Vergleichen Sie die experimentellen Ergebnisse mit den Simulationsergebnissen, um die Genauigkeit des Rechenmodells zu validieren.
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