مقدمة
يقدم جهاز المسعر متعدد الوحدات (MMC) 274 Nexus® من NETZSCH (الشكل 1) ثلاث وحدات قياس مختلفة. يمكن استخدام وحدة ARC® Module في ما يسمى باختبارات البحث عن الحرارة والانتظار (البحث عن الحرارة-انتظار-الحرارة (HWS)البحث عن الحرارة - الانتظار - البحث هو وضع قياس يُستخدم في أجهزة المسعر الحراري وفقًا لقياس المسعر الحراري بالمعدل المتسارع (ARC).HWS) أو اختبارات الهروب الحراري [1] [2]؛ ووحدة المسح مناسبة لتطبيقات مثل تقييم التحولات الطورية الماصة للحرارة أو الطاردة للحرارة وكذلك فحص المخاطر الحرارية [3] [4]؛ ووحدة خلية العملة مخصصة لفحص البطاريات [5]. يمكن توصيل وحدة تدوير البطارية الخارجية بسهولة بوحدة Coin Cell Module عبر موصل LEMO. يمكن نقل إشارات الجهد والتيار إلى برنامج التقييم NETZSCH Proteus®. يتم تحديد إشارة الطاقة الناتجة تلقائيًا ويمكن تحديدها بشكل مستقل للشحن والتفريغ. من خلال الكشف عن فقدان الحرارة أثناء الشحن والتفريغ، من الممكن تقييم كفاءة تدوير البطارية. ولتحقيق هذه الغاية، يوفر حامل العينة المزدوجة إعدادًا تفاضليًا شبيهًا بـ DSC (الشكل 2).
نظرًا لأن معظم دراسات الشحن والتفريغ غير المتساوي الحرارة غير المدمرة على البطاريات تُجرى في نطاق درجة حرارة صغيرة جدًا بالقرب من درجة الحرارة المحيطة، فمن الضروري معايرة المسعر وفقًا لذلك. لمعايرة درجة الحرارة والحساسية، تُستخدم المعادن عادةً كمواد مرجعية [6].
تحديد حالة البطارية
عندما يتعلق الأمر باستخدام نظام تخزين الطاقة، فإن "مستوى الملء" الحالي له دائمًا ما يكون ذا أهمية - سواء كان ذلك لتقييم وقت التشغيل المتبقي للهاتف الخلوي أو الكمبيوتر المحمول، أو فيما يتعلق بمدى السيارة الكهربائية. إذا كان وقت شحن الهاتف الخلوي أو الكمبيوتر المحمول يلعب دورًا ثانويًا إلى حد ما، فقد يكون له أهمية خاصة في سياق التنقل الكهربائي.
نموذج الطن
قد يكون وصف الحالة الحالية لنظام تخزين الطاقة بشكل جيد أكثر صعوبة مما يبدو للوهلة الأولى. وفقًا لـ [7]، يعمل نموذج البرميل على التوضيح بشكل جيد، حيث يقوم بعمل جيد في الوصف البصري لأهم العوامل المؤثرة أثناء الاستخدام، وعلى وجه الخصوص تلك التي ترجع إلى عمليات التقادم (الشكل 3). يقارن النموذج نظام تخزين الطاقة ببرميل المطر، حيث يمثل مستوى السائل في البرميل حالة الشحن الحالية. يتوافق الحجم الإجمالي في الحالة الجديدة مع السعة القصوى البالغة 100%. يوجد في الجزء السفلي من البرميل مخرج "للتفريغ" وفي الجزء العلوي مدخل "للشحن". توضح الأقطار المحدودة للمدخل والمخرج أن هناك حدًا للسرعة التي يمكن بها شحن البراميل أو تفريغها. ويتوافق هذا القيد مع المقاومة الداخلية في المركم. حتى عندما يكون المدخل والمخرج مغلقين، يفقد البرميل السائل بمرور الوقت لأنه يحتوي على ثقوب صغيرة وبالتالي فهو ليس محكم الإغلاق تمامًا. تمثل هذه الخسائر التفريغ الذاتي للمُراكم. ويوصف تقادم المركم كذلك بتكوين "الحجارة". فهي تقلل من حجم البرميل القابل للاستخدام وبالتالي سعة نظام تخزين الطاقة. كما أن البرميل يصدأ بمرور الوقت، مما يزيد من عدد الثقوب الصغيرة وبالتالي يزيد من الخسائر الناجمة عن "التفريغ الذاتي".
من خلال هذا النموذج، الموضح في الشكل 3، يمكن وصف أهم العمليات في تشغيل المركم. يشار إلى الحالة الحالية لنظام تخزين الطاقة أيضًا باسم "الحالة الصحية".
الخسائر أثناء الشحن والتفريغ
بغض النظر عن حالة البطارية، تحدث أيضاً خسائر في الطاقة أثناء كل عملية شحن وتفريغ. نعلم جميعًا من تجربتنا الخاصة أن الهواتف المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة تسخن أثناء التشغيل المكثف وأيضًا أثناء الشحن. تمثل هذه التطورات الحرارية خسائر في الطاقة، لأن كميات الحرارة المنبعثة بهذه الطريقة غير متاحة للاستخدام الفعلي من خلال نظام تخزين الطاقة.
وبمساعدة المستشعر الموجود في وحدة خلية العملات المعدنية في جهاز MMC (الشكل 2)، يمكن اكتشاف هذه الخسائر الحرارية وقياسها.
التحكم في دورات الشحن والتفريغ
تعتبر بطاريات الليثيوم أيون حساسة للغاية فيما يتعلق بالشحن الزائد، حيث يمكن أن يؤدي ذلك بسهولة إلى تحلل الشوارد. لذلك، عادةً ما تحد طرق الشحن الشائعة من الحد الأقصى لجهد الشحن إلى 4.2 فولت [7]. وفي هذا العمل أيضًا، تم تحديد دورات الشحن والتفريغ لخلية ليثيوم أيون (LiR 2032) باستخدام جهد مقطوع يبلغ 4.2 فولت للشحن و2.5 فولت للتفريغ. وينتج عن ذلك الدورة الموضحة كمثال في الشكل 4. بعد دورة ما قبل الشحن (غير موضحة هنا)، يتم شحن الخلية المعدنية عند 25 درجة مئوية بتيار ثابت قدره 45 مللي أمبير حتى جهد قطع 4.2 فولت 1. في مرحلة الاسترخاء اللاحقة 2، تعود خلية العملة والمستشعر إلى التوازن الحراري. تكون مرحلة الازدواجية 3 محدودة بجهد القطع 2.5 فولت وتتبعها مرة أخرى مرحلة استرخاء 4.
يتم نقل إشارات التيار والجهد من وحدة التدوير إلى برنامج التقييم NETZSCH Proteus® حيث يتم حساب إشارة الطاقة تلقائيًا. لتحديد الخسائر أثناء الشحن والتفريغ، يمكن بالتالي تحديد الطاقة المستثمرة والحرارة المنبعثة بشكل مستقل لكل دورة جزئية. وبهذه الطريقة، من الممكن الإشارة إلى نسبة الطاقة المستثمرة التي تم إطلاقها كحرارة.
يوضح الشكل 5 كيف يحسب تقييم المنطقة لإشارة التدفق الحراري لعملية الشحن تلقائيًا الطاقة المستثمرة (هنا 411.6 جول) ويضعها في تناسب مع إشارة التدفق الحراري المقاسة (هنا 11.12 جول). وينتج عن ذلك كفاءة تبلغ 97.3%. بالنسبة للتفريغ اللاحق، تبلغ الكفاءة 89.9% فقط بسبب توليد حرارة أعلى بكثير.
معدلات شحن وتفريغ مختلفة
إذا تم إجراء دورات الشحن والتفريغ بمعدلات مختلفة وفقًا لمعايير الإغلاق المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن الطاقة التي يمتصها نظام تخزين الطاقة، وبالتالي كمية الطاقة المتاحة أثناء التفريغ، تعتمد بشدة على المعدل المعني (الشكل 6). إذا تم شحن الخلية المماثلة (LiR 2032) عند 45 مللي أمبير (C/1)، يتم امتصاص 415 جولاً، بينما عند معدل شحن C/8 (5.6 مللي أمبير)، يتم امتصاص 550 جولاً تقريبًا.
تؤثر درجة الحرارة التي يتم فيها تدوير المركم أيضًا على كمية الطاقة الممتصة وكفاءة الشحن والتفريغ. يوضح الشكل 7 الطاقات الممتصة لدورات الشحن عند درجات حرارة مختلفة.
الملخص
استُخدمت وحدة MMC Coin Cell Module 274 Nexus® لفحص خلية عملة LiR 2032 قابلة لإعادة الشحن في درجات حرارة مختلفة ومعدلات شحن مختلفة فيما يتعلق بالحرارة التي تحدث. بالنسبة لدورات الشحن، تم استخدام جهد قطع علوي وسفلي بجهد 4.2 فولت و2.5 فولت. يمكن تحديد الطاقة التي يتم توصيلها إلى المركم بواسطة وحدة التدوير أثناء الشحن من إشارات التيار والجهد لوحدة التدوير. يتم قياس الحرارة المنبعثة أثناء هذه العملية مباشرةً بواسطة مستشعر وحدة خلية العملة. تسمح نسبة الطاقة المنقولة إلى المركم وكمية الحرارة المنبعثة بتحديد كفاءة عمليتي الشحن والتفريغ بشكل مستقل. وقد تبيّن أن كلاً من الطاقة الممتصة وكفاءة الشحن والتفريغ ذات الصلة تعتمد بشدة على معدلات الشحن ودرجة الحرارة.