Uso del calorímetro para desarrollar un paquete de baterías más eficiente

El Dr. Carlos Ziebert, Jefe del Centro de Calorímetros (KIT) en IAM-AWP, explica cómo los calorímetros pueden ayudar a desarrollar paquetes de baterías más seguros y eficientes en el proyecto HELIOS de Horizonte 2020. ..

Los vehículos y autobuses eléctricos que funcionan con baterías de iones de litio son un impulso estratégico en la nueva estrategia de movilidad de la Unión Europea, reduciendo las emisiones de dióxido de carbono en el sector del transporte en un 90% para 2050 para una economía limpia y digital. Debe conducir a la transición. por lo tanto, la Comisión Europea invierte en conocimientos técnicos innovadores sobre vehículos eléctricos (EV) para convertir a Europa en un líder del mercado mundial en producción y uso sostenibles. Esto reducirá la dependencia de los productores asiáticos de células y reemplazará al menos 30 millones de vehículos eléctricos en las carreteras europeas en lugar de vehículos eléctricos con motores de combustión interna.

Figura 2: Autobús eléctrico Bozankaya Sileo S12
Drenaje Bozankaya

Participantes de HELIOS

El programa Marco Horizonte 2020 del proyecto HELIOS (Paquete de baterías modulares de alto rendimiento para servicios de vehículos eléctricos urbanos sostenibles). El proyecto europeo, lanzado el 1 de enero de 2021, recibió aproximadamente 10 millones de euros de la Comisión Europea. HELIOS está coordinado por la Universidad de Aarhus (AU), con los siguientes 18 socios de ocho países trabajando juntos en un paquete de batería modular mejorado.

    Universidad de Aarhus (AU, Dinamarca); Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT, Alemania); Instituto Indio de Tecnología (IIT, Turquía); Universidad Aalto (Finlandia); IREC (España); RDIUP (Francia); NVISION (España); Solución de carga VESTEL EV (Turquía); VITESCO (Alemania); IDNEO (España); Bozankaya (Turquía); Universidad de Cataluña (UPC, España); Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno Baden-Württemberg (ZSW, Alemania);
    Instituto Danés de Tecnología (DTI, Dinamarca); TU Sofía (TUS, Bulgaria); TUBITAK MAM (Turquía); Instituto Europeo del Cobre (ECI, Bélgica); KNEIA (España);

Del grupo de kit “Battery-Químico Medición y Seguridad” recientemente establecido en Applied Materials Laboratories-Applied Materials Physics (IAM-AWP) y liderado por el Dr. Carlos Ziebert, participa en el campo de la medición del calor de baterías y aporta su experiencia.

Los calorímetros ayudan a desarrollar paquetes de baterías más seguros y eficientes
Figura 3: Diagrama de partes del plan de trabajo de HELIOS
sin derechos de autor

Propósito de HELIOS

Al reunir la experiencia de la industria y la academia, el proyecto HELIOS tiene como objetivo desarrollar e integrar materiales, diseños, tecnologías y procesos innovadores para crear un nuevo concepto de paquetes de baterías más livianos, inteligentes y ecológicos. Este paquete de baterías debe ser modular y compatible con una amplia gama. Coche eléctrico Utilizado en servicios de vehículos eléctricos urbanos, necesita mejorar el rendimiento, la densidad de energía, la seguridad, la longevidad y el cristal líquido sobre silicio (LCoS). Su gama incluye desde vehículos eléctricos de tamaño medio hasta autobuses eléctricos. El e-bus Bozankaya Sileo S12 (consulte la Figura 2) se utiliza como demostrador de rendimiento y mejora para los paquetes de baterías modulares HELIOS.

Nuevos desarrollos para integrar soluciones de hardware y software para control eléctrico e inteligente para este propósito Sistemas de gestión térmica que utilizan materiales avanzados, electrónica de potencia, sensores y TIC de última generación, como análisis de big data basado en la nube, la inteligencia artificial y la tecnología de Internet de las cosas (IoT) que se ejecutan en la nube, se están investigando e implementando.

Estos enfoques combinados le permiten:

    Aumentar la densidad de energía y potencia. Para mejorar las características clave, como la carga de ultra alta potencia. Para mejorar la seguridad; Mejorar el control de la flota electrónica y las estrategias de atención médica para extender la vida útil. Para crear procedimientos optimizados de carga y descarga de vehículos eléctricos y programas de mantenimiento predictivo. Supervise el SOC, SOH y la huella de carbono de cada paquete de baterías a lo largo de su ciclo de vida. Esto permite una cadena de suministro integrada eficaz para la fabricación, reutilización y reciclaje de baterías de iones de litio. Paquete establecido; Mostrar mejor LCA (evaluación del ciclo de vida, nueva metodología para el reciclaje post-EoL y la recuperación de metales, y selección de materiales con mejor LCA general). Para reducir LCoS y mejorar el diseño y el rendimiento del paquete de baterías en función de un enfoque de economía circular. Los paquetes de baterías modulares se pueden reutilizar fácilmente en una variedad de aplicaciones de segunda vida antes del reciclaje EoL. Cuando Evaluar la eficacia de las soluciones HELIOS en modelos de vehículos eléctricos en varias ciudades, como flotas de automóviles y flotas de autobuses eléctricos.

Actividades planificadas en el paquete de trabajo 4: “Prueba y modelado de celdas y paquetes de baterías”

El plan de trabajo del proyecto HELIOS está organizado en 10 paquetes de trabajo (WP) vinculados. El grupo de “Seguridad y medición química de baterías” de KIT está principalmente involucrado en la selección de celdas y la definición de escenarios de prueba. Ziebert lidera el paquete de trabajo 4: ¿Pruebas y modelado de paquetes de batería y de celdas? El objetivo científico principal del trabajo realizado por KIT, DTI y ZSW es ​​determinar los datos electroquímicos, térmicos y de seguridad combinados necesarios como parámetros de entrada para el modelado o datos de validación para los resultados de la simulación. .. Estos datos se recuperan a nivel de material, celda y paquete en escenarios de prueba de uso normal y abuso y se almacenan y agregan en una base de datos.

KIT combina seis calorímetros acelerados adiabáticos (ARC) de diferentes tamaños (consulte la Figura 4) con cicladores de batería en diferentes rangos de corriente y voltaje para la investigación cuantitativa sobre la generación y disipación de calor de una sola batería de iones de litio. Lo hacemos, pero incluso los paquetes de baterías pequeños se cargan y descargan en condiciones térmicas definidas. Dichos datos se pueden utilizar para optimizar la gestión de carga y descarga y analizar los procesos de envejecimiento dentro de las células.

paquete de baterías
Figura 4: Laboratorio de calorímetros de batería IAM-AWP con 6 calorímetros acelerómetros de diferentes tamaños

Al medir la capacidad calorífica específica y el coeficiente de transferencia de calor, que también funcionan como parámetros de entrada para el modelado térmico, los datos de temperatura medidos se pueden usar para ajustar el sistema de gestión térmica y verificar el modelo térmico. El sensor de flujo de calor (HFS) se utiliza para proporcionar:

    El valor de la capacidad calorífica específica. Coeficiente de transferencia de calor en varios lados de la celda. El valor del calor generado.

Se realizan análisis electroquímicos y termodinámicos especiales para obtener una comprensión científica más profunda de los diversos mecanismos de reacción. Para las operaciones de celda, estos incluyen:

    Identificación de aportes térmicos reversibles asociados a la entropía de reacciones celulares. Cuantificación del aporte de calor irreversible de la resistencia interna de la celda. Cuando Análisis de aportes de reacciones secundarias.

El propósito principal de las pruebas de abuso o seguridad es identificar todas las posibles condiciones de riesgo. Luego analice estas condiciones para definir claramente las mitigaciones utilizadas para diseñar, controlar y usar celdas y paquetes.

Pruebas de abuso a nivel de celda mediante la aplicación de escenarios de prueba de abuso eléctrico, mecánico y térmico utilizando seis ARC e investigando la generación de calor, gas y presión en estas condiciones. Es ejecutado por KIT. El autocalentamiento y la fuga térmica se caracterizan para determinar los parámetros clave y sus umbrales para el funcionamiento seguro de la celda y la estabilidad térmica.

Además, se realiza una prueba de envejecimiento integral a nivel celular. Primero, las células frescas se almacenan en una cámara de temperatura a varias temperaturas y estados de carga, y luego se caracterizan a intervalos de tiempo regulares para estudiar el efecto de este almacenamiento (envejecimiento por calendario) en el rendimiento de las células. aumento. Luego, las celdas del mismo tipo se envejecen a diferentes tasas de carga/descarga o diferentes perfiles de carga (ciclo completo, ciclo parcial, ciclo de conducción (ciclo de envejecimiento)). Además, varias celdas se degradan tanto antes como después de la prueba para caracterizar los cambios en los niveles del material y dilucidar el proceso de envejecimiento causado por la manipulación continua.

Las extensas pruebas de celdas descritas en el WP 4 generan grandes cantidades de datos que ayudan a mejorar el modelado en varios niveles, desarrollados para que el proyecto HELIOS sea un éxito.

Expresiones de gratitud

El proyecto está financiado por el Programa de Investigación e Innovación Horizontal 2020 de la Unión Europea bajo el Acuerdo de Subvención No. 963646. Este documento refleja solo las opiniones de su autor. La agencia financiadora no es responsable por el uso de la información contenida en el mismo.

Contactos adicionales

Profesor Corneliu Barbu
Coordinador del proyecto
Universidad de Aarhus
+45 9352 1325
[email protected]

Tomas Jezdinsky
Gerente de Comunicación y Difusión
Instituto Europeo del Cobre
[email protected]


Este artículo es una continuación de un informe especial sobre. Proyecto HELIOS..

Tenga en cuenta que este artículo también se publicará en la séptima edición. Revista trimestral..

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