Experimental Analysis of the Influence of Ambient Temperature on the Mechanics of Lithium-Ion Cell Modules

Abstract

La industria del automóvil está viviendo actualmente uno de los cambios tecnológicos más importantes de su historia. Desde sus primeros indicios a finales del siglo XX, el concepto de electromobilidad es la transición más sonada que nuestro mundo parece necesitar en estos momentos. Las incertidumbres tecnológicas, la falta de infraestructura y el miedo al cambio son los obstáculos que están ralentizando esta transformación tan solicitada por todos. Los numerosos y nuevos diseños de componentes derivados de la arquitectura del vehículo eléctrico deben ser minuciosamente analizados desde el punto de vista mecánico. Los problemas relacionados con las vibraciones, tanto acústicos como de fatiga y resonancia deben ser de nuevo abordados, en un área ya controlada por el campo de los motores de combustión. El objeto principal de estudio de este trabajo es el análisis del impacto que tiene la temperatura operacional en el comportamiento vibratorio de un módulo de células de ion-litio. Este estudio se aborda por medio de la técnica de análisis modal. Además de ello, se trata de justificar los cambios de comportamiento observados a nivel módulo desde un nivel inferior, a nivel material, por medio de la técnica de ensayo DMA sobre ciertos materiales propios del módulo, propensos a sufrir cambios por el efecto de la temperatura. Un último objetivo es el desarrollo de un método o técnica que permita abordar este estudio de una manera más estandarizada, aplicable a otras arquitecturas de módulos, e incluso llevable al nivel energético superior de los sistemas de almacenamiento de alto voltaje.

The automotive industry is currently facing one of the most important technological changes in its history. Since its first steps at the end of the 20th century, the concept of electromobility is the most needed transition that our world seems to demand at our current time. Technological uncertainties, lack of infrastructure and fear of change are the main obstacles that are slowing down this transformation so much in demand by all. The numerous new component designs derived from the architecture of the electric vehicle must be thoroughly analyzed from a mechanical point of view. Problems related to vibrations, such as acoustic, resonance and fatigue must be approached again, in an area already under control in the field of combustion engines. The main object of study of this work is the analysis of the impact that the operational temperature has on the vibrating behavior of a state-of-the-art lithium-ion cell module. This study is approached by means of the modal analysis technique. Additionally, a second goal of this work is to justify the changes in behavior observed at module level from a lower level, at material level, by means of the material testing technique of DMA on certain cell module materials that are prone to experience changes due to the effect of temperature. A final objective is the development of a method or technique that allows this study to be approached in a more standardized manner, applicable to other module architectures, and even approachable from the higher energy level of high-voltage storage systems.