Въведение
NETZSCH Калориметърът с множество модули (Калориметър с множество модули (MMC)Устройство за калориметър с множество режими на работа, състоящо се от базов модул и сменяеми модули. Единият модул е подготвен за калориметрия с ускоряване на скоростта (ARC®), ARC®-Модул. Вторият се използва за сканиращи тестове (Scanning Module), а третият е свързан с тестове на батерии за монетарни клетки (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (фигура 1) предлага три различни измервателни модула. Модулът Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® може да се използва за т.нар. тестове Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search е режим на измерване, използван в калориметричните устройства съгласно ускорителната калориметрия (ARC®).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search е режим на измерване, използван в калориметричните устройства съгласно ускорителната калориметрия (ARC®).HWS) или за тестове за термично бягство [1][2]; модулът за сканиране е подходящ за такива приложения като оценка на ендотермични или екзотермични фазови преходи, както и за скрининг на термични опасности [3][4]; а модулът за монетните клетки е специализиран за изследване на батерии [5]. Външен модул за циклично изследване на батерии може лесно да се свърже към модула за монетна клетка чрез конектор LEMO. Сигналите за напрежение и ток могат да се прехвърлят към софтуера за оценка NETZSCH Proteus® . Полученият сигнал за мощност се определя автоматично и може да се определи независимо количествено за зареждане и разреждане. Чрез определяне на топлинните загуби по време на зареждане и разреждане е възможно да се оцени ефективността на цикличното използване на батерията. За тази цел двойният носител на проби предлага диференциална настройка, подобна на DSC (фигура 2).
small Тъй като повечето от недеструктивните изотермични изследвания на зареждането и разреждането на батерии се извършват в много широк температурен диапазон, близък до температурата на околната среда, от съществено значение е калориметърът да бъде калибриран по съответния начин. За калибриране на температурата и чувствителността обикновено се използват метали като референтни материали [6].
Определяне на състоянието на батерията
Когато става въпрос за използване на система за съхранение на енергия, винаги е интересно текущото ѝ "ниво на запълване" - било то за оценка на оставащото време за работа на мобилен телефон или лаптоп, или по отношение на пробега на електромобил. Ако времето за зареждане на мобилен телефон или лаптоп играе по-скоро второстепенна роля, то може да бъде от особено значение в контекста на електромобилността.
Модел Ton
Доброто описване на текущото състояние на дадена система за съхранение на енергия може да се окаже по-трудно, отколкото изглежда на пръв поглед. Според [7] моделът на барел служи за добра илюстрация, тъй като добре описва визуално най-важните влияещи фактори по време на употреба и по-специално тези, дължащи се на процесите на стареене (фиг. 3). Моделът сравнява системата за съхранение на енергия с бъчва за дъжд, където нивото на течността в бъчвата представлява текущото състояние на зареждане. Общият обем в новото състояние съответства на максималния капацитет от 100 %. В долната част на варела има изход за "разреждане", а в горната част - вход за "зареждане". Ограничените диаметри на входа и изхода илюстрират, че има ограничение на скоростта, с която барелите могат да се зареждат или разреждат. Това ограничение съответства на вътрешното съпротивление в акумулатора. Дори когато входът и изходът са затворени, барелът губи течност с течение на времето, тъй като има отвори small и следователно не е идеално херметичен. Тези загуби представляват саморазреждане на акумулатора. Стареенето на акумулатора се описва допълнително чрез образуването на "камъни". Те намаляват полезния обем на барела и по този начин капацитета на системата за съхранение на енергия. Също така с течение на времето барутът ръждясва, което увеличава броя на дупките small и по този начин загубите, дължащи се на "саморазряд".
С помощта на този модел, показан на фигура 3, могат да се опишат най-важните процеси в работата на акумулатора. Текущото състояние на една система за съхранение на енергия се нарича още "състояние на здравето".
Загуби при зареждане и разреждане
Независимо от състоянието на акумулатора, при всеки процес на зареждане и разреждане възникват и енергийни загуби. Всички знаем от собствен опит, че мобилните телефони или лаптопите се нагряват по време на интензивна работа, а също и по време на зареждане. Тези топлинни процеси представляват енергийни загуби, тъй като отделените по този начин количества топлина не са на разположение за реално използване чрез системата за съхранение на енергия.
С помощта на сензора в модула за монетна клетка на Калориметър с множество модули (MMC)Устройство за калориметър с множество режими на работа, състоящо се от базов модул и сменяеми модули. Единият модул е подготвен за калориметрия с ускоряване на скоростта (ARC®), ARC®-Модул. Вторият се използва за сканиращи тестове (Scanning Module), а третият е свързан с тестове на батерии за монетарни клетки (Coin Cell Module).MMC (фигура 2) тези топлинни загуби могат да бъдат открити и определени количествено.
Управление на циклите на зареждане и разреждане
Литиево-йонните батерии са много чувствителни по отношение на презареждането, тъй като то лесно може да доведе до разлагане на електролитите. Поради това обичайните методи за зареждане обикновено ограничават максималното зарядно напрежение до 4,2 V [7]. Също така в тази работа циклите на зареждане и разреждане на литиево-йонна клетка (LiR 2032) бяха ограничени, като се използва гранично напрежение от 4,2 V за зареждане и 2,5 V за разреждане. Така се получава цикълът, показан като пример на фигура 4. След цикъл на предварително зареждане (който не е показан тук), монетната клетка се зарежда при 25 °C с постоянен ток от 45 mA до гранично напрежение от 4,2 V 1 . В последващата фаза на релаксация 2 монетната клетка и сензорът се връщат към топлинно равновесие. Фазата на зареждане 3 е ограничена от напрежението на прекъсване от 2,5 V и отново е последвана от фаза на релаксация 4.
Сигналите за ток и напрежение се прехвърлят от цикличния блок към софтуера за оценка NETZSCH Proteus® , където автоматично се изчислява сигналът за мощност. За определяне на загубите по време на зареждане и разреждане по този начин инвестираната мощност и отделената топлина могат да се определят независимо за всеки частичен цикъл. По този начин е възможно да се посочи каква част от вложената енергия е била освободена като топлина.
На фигура 5 е показано как оценката на площта на сигнала за топлинен поток в процеса на зареждане автоматично изчислява вложената енергия (тук 411,6 J) и я поставя в съотношение с измерения сигнал за топлинен поток (тук 11,12 J). Това води до ефективност от 97,3 %. При последващото разреждане ефективността възлиза само на 89,9 % поради значително по-високото генериране на топлина.
Различни скорости на зареждане и разреждане
Ако циклите на зареждане и разреждане се извършват с различни скорости в съответствие с гореспоменатите критерии за изключване, може да се види, че енергията, абсорбирана от системата за съхранение на енергия, и по този начин, разбира се, количеството енергия, налично по време на разреждането, зависи много силно от съответната скорост (фигура 6). Ако идентичната клетка (LiR 2032) се зарежда със скорост 45 mA (C/1), се абсорбират 415 J, докато при скорост на зареждане C/8 (5,6 mA) се абсорбират почти 550 J.
Температурата, при която акумулаторът се циклизира, също оказва влияние върху количеството погълната енергия и ефективността на зареждане и разреждане. На фигура 7 са показани погълнатите енергии от циклите на зареждане при различни температури.
Резюме
Модулът Калориметър с множество модули (MMC)Устройство за калориметър с множество режими на работа, състоящо се от базов модул и сменяеми модули. Единият модул е подготвен за калориметрия с ускоряване на скоростта (ARC), ARC-Модул. Вторият се използва за сканиращи тестове (Scanning Module), а третият е свързан с тестове на батерии за монетарни клетки (Coin Cell Module).MMC Coin Cell Module 274 Nexus® е използван за изследване на акумулаторна монетна клетка LiR 2032 при различни температури и различни скорости на зареждане по отношение на възникващата топлина. За циклите на зареждане бяха използвани горно и долно гранично напрежение от 4,2 V и 2,5 V. Мощността, доставяна на акумулатора от цикличния блок по време на зареждането, може да се определи количествено от сигналите за ток и напрежение на цикличния блок. Топлината, отделяна по време на този процес, се измерва директно от сензора на модула за монетните клетки. Съотношението между мощността, предадена на акумулатора, и количеството отделена топлина позволява да се определи независимо ефективността на процесите на зареждане и разреждане. Доказано е, че както погълнатата мощност, така и съответната ефективност на зареждане и разреждане силно зависят от скоростта на зареждане и температурата.