Определяне на състоянието на батерията
Когато става въпрос за използване на устройство за съхранение на енергия, винаги е интересно текущото му "ниво на запълване" - било то за оценка на оставащото време за работа на мобилен телефон или лаптоп, или по отношение на пробега на електромобил. Въпреки че времето за зареждане може да играе доста малка роля за мобилен телефон или лаптоп, то може да бъде от особено значение в контекста на електромобилността.
Да се опише добре текущото състояние на единицата за съхранение на енергия може да се окаже по-трудно, отколкото изглежда на пръв поглед. Добра илюстрация на текущото състояние на акумулатор е моделът на барел [1]. Този модел вече е описан подробно във връзка с цикличността на монетните клетки [2]. По-долу ще бъде изследвано развитието на топлината по време на зареждане и разреждане на клетки 18650, т.е. значително по-големи акумулатори от монетните клетки.
Сайтът NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 (фигура 1) е калориметър с ускоряваща се скорост - уред, който обикновено се използва за изследване на т.нар. топлинно изтичане на отделни вещества или реакционни смеси [3]. Що се отнася до цикличността на батериите обаче, Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 трябва да се използва като изотермичен калориметър. За тази цел настройката на Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 може да се използва по специален начин. За гореспоменатите изследвания на безопасността действителната камера на калориметъра в Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 е заобиколена от различни независими нагреватели. За изотермичното изследване на акумулатори те са оградени от друг нагревател в калориметъра, така че температурата на акумулатора да може да се контролира независимо от калориметъра.
елементи 18650
Така наречените клетки 18650 са стандартни индустриални клетки в цилиндричен метален корпус с диаметър 18 mm и височина 65,0 mm (фигура 2).
Батерията се поставя в нагревател, обграждащ цилиндричната клетка (фигура 3), и се монтира в измервателната камера на калориметъра.
Батерията се свързва с външното устройство за циклично движение (фигура 4) чрез обикновен съединителен щепсел, за да се подават ток и напрежение за зареждане и разреждане.
Интересът към определянето на топлинните баланси на батериите по време на зареждане и разреждане, макар и да е актуален въпрос, не е съвсем нов. Въпреки че описаната по-долу настройка в NETZSCH Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 се различава от шаблоните в литературата, основният подход е идентичен с този, описан от Hansen et al. през 1982 г. [4].
3D-VariPhi нагревател
Както вече беше посочено, цилиндричната батерия е директно заобиколена от 3D-VariPhi нагревателя ( 5 на фиг. 5). Той трябва да осигурява определено количество топлина, за да поддържа постоянна температура на батерията, и по този начин изисква определено количество енергия. Необходимата мощност зависи от редица фактори, сред които не на последно място е температурата на околната среда.
За да се създаде достатъчно дълга система за контрол, другите нагреватели на калориметъра (2 , 6 , 9 и 10 на фигура 5) се настройват на постоянна по-ниска температура. Ако енергетичните процеси по време на зареждането и разреждането в батерията променят температурата на клетката, захранването на нагревателя 3D-VariPhi (5) ще може да реагира незабавно и по този начин да осигури постоянна температура в батерията. От записаната мощност на 3D-VariPhi нагревателя ( 5 ), от своя страна, е възможно директно да се определи топлината, погълната или отделена от батерията по време на циклите.
Тъй като мощността, необходима на нагревателя 3D-VariPhi за поддържане на температурата на батерията, е важна, зависимостта между мощността на нагряване и температурата на батерията е записана на фигура 6.
Циклене на клетка 18650
Изследваната клетка 18650 беше поддържана при постоянна температура от 35°C с помощта на нагревателя 3D-VariPhi. След определен процес на зареждане (прекъсване 2,5 V) тази литиево-йонна батерия беше заредена (4,2 V, l-лимит 100 mA), като се използва така нареченият процес на зареждане CC/CV (постоянен ток/постоянно напрежение). След 120-минутна почивка последва разреждане. След това тези две действия са повторени веднъж. Използваните токове на зареждане и разреждане са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Токове на зареждане и разреждане
| Зареждане | Разреждане | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Всички потребители знаят от собствен опит, че мобилните телефони или лаптопите се нагряват по време на интензивна работа, както и по време на зареждане. От гледна точка на цикъла на зареждане тези топлинни процеси представляват енергийни загуби, тъй като частта от топлината, която се отделя по този начин, не може да се използва от устройството за съхранение на енергия. Следователно количествата топлина, отчетени от Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 по време на зареждане и разреждане, могат да бъдат отчетени като загуби по отношение на ефективността на зареждане. Резултатите за топлината на реакция на клетка 18650 като функция на различни скорости на зареждане са показани на фигури 7-9. Ако вложената мощност за зареждане или разреждане се сравни с измерените топлини на реакция, т.е. със загубите, ефективността на частичните цикли може да се определи самостоятелно.
Резюме
NETZSCH Ускоряваща калориметрия (ARC)Метод, описващ изотермични и адиабатни процедури за изпитване, използвани за откриване на термично екзотермични реакции на разлагане.ARC® 254 е използван за циклично зареждане на цилиндрична батерия (18650) при 35°C с различни скорости на зареждане (1C, C/2, C/4). Откритите топлини на реакция съответстват на топлинните загуби, което позволява ефективността на циклите за зареждане и разреждане да се определя независимо един от друг. Ако нямаше загуби, ефективността би била 100 %. Загубите, определени от топлините на реакция, са обобщени за циклите на зареждане и разреждане, но също и за различните скорости на зареждане, на фигура 10. Ясно е, че при ниски скорости на зареждане (C/4) загубите са по-малки и следователно ефективността е по-висока, отколкото при по-високи скорости на зареждане (1C).