1. Der Einfluss niedriger Batterietemperaturen auf die Batterieentladekapazität
Die Kapazität ist einer der wichtigsten Parameter von Lithiumbatterien und ändert sich mit der Temperatur. Die beiden Kurven in der Abbildung unten zeigen die Temperaturabhängigkeit der Kapazität, ermittelt durch Entladen der Batterie mit 0,1C und 0,3C bei verschiedenen Temperaturen.
Offensichtlich steigt die Kapazität mit zunehmender Temperatur. Die Kapazität bei -20 °C beträgt nur etwa 601 Tp³ Tp der Kapazität bei 15 °C. Neben der Kapazität sinkt auch die Leerlaufspannung der Batterie mit steigender Temperatur. Bekanntermaßen ist die in der Batterie gespeicherte Energie das Produkt aus Kapazität und Klemmenspannung. Wenn beide Faktoren abnehmen, entspricht die Energie in der Batterie der Summe der beiden abnehmenden Effekte.
Bei niedrigen Batterietemperaturen nimmt die Aktivität des positiven Elektrodenmaterials ab, wodurch sich die Anzahl der beweglichen Lithiumionen, die einen Entladestrom erzeugen können, verringert. Dies ist der Hauptgrund für die Abnahme der Kapazität.
2. Der Einfluss niedriger Batterietemperaturen auf den Innenwiderstand der Batterie
Die Abbildung unten zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstand einer Lithiumbatterie. Die verschiedenen Kurven repräsentieren unterschiedliche Ladezustände der Batterie. In jedem Ladezustand steigt der Innenwiderstand der Batterie mit sinkender Temperatur deutlich an. Je niedriger der Ladezustand, desto höher der Innenwiderstand – dieser Trend bleibt bei Temperaturänderungen unverändert.
Bei niedrigen Batterietemperaturen verschlechtern sich Diffusion und Mobilität geladener Ionen in den positiven und negativen Elektrodenmaterialien, und der Durchtritt durch die Passivierungsschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt wird erschwert. Auch die Transportgeschwindigkeit im Elektrolyten sinkt, und während des Transportprozesses entsteht viel Wärme.
Nachdem die Lithiumionen die negative Elektrode erreicht haben, verläuft die Diffusion im Elektrodenmaterial ebenfalls unregelmäßig. Im Verlauf dieses Prozesses wird die Bewegung der geladenen Ionen stark erschwert. Dies führt zu einer Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle.
3. Der Einfluss niedriger Batterietemperaturen auf die Lade- und Entladeeffizienz der Batterie.
Die folgende Kurve zeigt den Verlauf der Ladeeffizienz in Abhängigkeit von der Temperatur. Man erkennt, dass die Ladeeffizienz bei -20 °C nur 651 TP3T derjenigen bei 15 °C beträgt.
Niedrige Batterietemperaturen führen zu Veränderungen der oben genannten elektrochemischen Eigenschaften, und der Innenwiderstand steigt deutlich an. Während des Entladevorgangs wird ein Großteil der elektrischen Energie durch den Innenwiderstand verbraucht, wodurch Wärme entsteht.
Niedertemperatur-Vorheiztechnologie für Lithiumbatterien
Angesichts der Einschränkungen bei der Verwendung von Lithiumbatterien bei niedrigen Batterietemperaturen haben Techniker eine Gegenmaßnahme zum Laden und Vorheizen entwickelt. Obwohl es sich nur um eine Übergangslösung handelt, verbessert sie die Entladekapazität und die Lebensdauer von Lithiumbatterien deutlich.
Vor dem Laden oder der Verwendung von Lithiumbatterien in einer Umgebung mit niedriger Batterietemperatur muss die Batterie vorgewärmt werden. Die Art und Weise, wie das Batteriemanagementsystem (BMS) die Batterie erwärmt, lässt sich grob in zwei Kategorien unterteilen: externe und interne Erwärmung.
Im Vergleich zu externen Heizmethoden vermeidet die interne Heizung die Wärmeleitung über lange Wege und die Bildung lokaler Hotspots in der Nähe des Heizelements. Dadurch kann die Batterie gleichmäßiger erwärmt werden, was zu einer besseren und effizienteren Erwärmung führt und die Implementierung vereinfacht.
