Určení stavu baterie
Pokud jde o použití jednotky pro ukládání energie, je vždy zajímavá její aktuální "naplněnost" - ať už jde o vyhodnocení zbývající doby provozu mobilního telefonu nebo notebooku, nebo o dojezd elektromobilu. Ačkoli u mobilního telefonu nebo notebooku může doba nabíjení hrát spíše podružnou roli, v kontextu elektromobility může mít mimořádný význam.
Dobře popsat aktuální stav jednotky pro ukládání energie může být obtížnější, než se na první pohled zdá. Dobrou ilustrací aktuálního stavu akumulátoru je sudový model [1]. Tento model byl již podrobně popsán v souvislosti s cyklováním mincovních článků [2]. V následujícím textu bude zkoumán vývoj tepla při nabíjení a vybíjení článků 18650, tj. podstatně větších akumulátorů než jsou mincové články.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Zrychlená kalorimetrie (ARC)Metoda popisující izotermické a adiabatické zkušební postupy používané k detekci tepelně exotermických rozkladných reakcí.ARC® 254 (obr. 1) je akcelerační rychlostní kalorimetr, přístroj, který se obvykle používá ke zkoumání tzv. tepelného úniku jednotlivých látek nebo reakčních směsí [3]. S ohledem na cyklování baterií je však třeba přístroj Zrychlená kalorimetrie (ARC)Metoda popisující izotermické a adiabatické zkušební postupy používané k detekci tepelně exotermických rozkladných reakcí.ARC® 254 použít jako izotermický kalorimetr. K tomuto účelu lze použít speciální nastavení přístroje Zrychlená kalorimetrie (ARC)Metoda popisující izotermické a adiabatické zkušební postupy používané k detekci tepelně exotermických rozkladných reakcí.ARC® 254. Pro výše uvedená bezpečnostní šetření je vlastní kalorimetrická komora v přístroji Zrychlená kalorimetrie (ARC)Metoda popisující izotermické a adiabatické zkušební postupy používané k detekci tepelně exotermických rozkladných reakcí.ARC® 254 obklopena různými nezávislými topnými tělesy. Pro izotermické zkoumání akumulátorů jsou tyto ohraničeny dalším ohřívačem v kalorimetru, takže teplotu akumulátoru lze řídit nezávisle na kalorimetru.
články 18650
Takzvané články 18650 jsou standardní průmyslové články ve válcovém kovovém pouzdře o průměru 18 mm a výšce 65,0 mm (obrázek 2).
Baterie se umístí do ohřívače obklopujícího válcový článek (obrázek 3) a instaluje se do měřicí komory kalorimetru.
Baterie je propojena s externí cyklistickou jednotkou (obrázek 4) pomocí jednoduché konektorové zástrčky, aby bylo možné přivádět proud a napětí pro nabíjení a vybíjení.
Zájem o stanovení tepelných bilancí baterií během nabíjení a vybíjení, ačkoli jde o aktuální téma, není zcela nový. Přestože se níže popsané uspořádání v systému NETZSCH ARC® 254 liší od šablon v literatuře, základní přístup je totožný s přístupem popsaným Hansenem a kol. v roce 1982 [4].
Ohřívač 3D-VariPhi
Jak již bylo naznačeno, válcová baterie je přímo obklopena 3D-VariPhi ohřívačem ( 5 na obr. 5). Ten musí dodávat určité množství tepla, aby udržel baterii na konstantní teplotě, a proto vyžaduje určité množství energie. Potřebný výkon závisí na řadě faktorů, z nichž nemalou roli hraje okolní teplota.
Pro vytvoření dostatečně dlouhého regulačního systému jsou ostatní topná tělesa kalorimetru (2 , 6 , 9 a 10 na obrázku 5) nastavena na konstantní nižší teplotu. Pokud by energetické procesy během nabíjení a vybíjení v akumulátoru změnily teplotu článku, zdroj energie ohřívače 3D-VariPhi (5) by byl schopen okamžitě reagovat a zajistit tak konstantní teplotu v akumulátoru. Ze zaznamenaného výkonu ohřívače 3D-VariPhi ( 5 ) je zase možné přímo určit teplo, které baterie během cyklů absorbuje nebo uvolňuje.
Protože je důležitý výkon, který ohřívač 3D-VariPhi potřebuje k udržení teploty baterie, je na obrázku 6 zaznamenán vztah mezi výkonem ohřevu a teplotou baterie.
Cyklování článku 18650
Zkoumaný článek 18650 byl pomocí ohřívače 3D-VariPhi udržován na konstantní teplotě 35 °C. Po definovaném nabíjecím procesu (cut-off 2,5 V) byla tato lithium-iontová baterie nabíjena (4,2 V, l-limit 100 mA) pomocí tzv. nabíjecího procesu CC/CV (konstantní proud/konstantní napětí). Po 120minutové přestávce následovalo vybíjení. Tyto dvě fáze se pak ještě jednou opakovaly. Použité nabíjecí a vybíjecí proudy jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Nabíjecí a vybíjecí proudy
| Nabíjení | Vybíjení | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Všichni uživatelé z vlastní zkušenosti vědí, že mobilní telefony nebo notebooky se při intenzivním provozu zahřívají a podobně je tomu i při nabíjení. Z hlediska nabíjecího cyklu představují tyto tepelné výkyvy energetické ztráty, protože část takto uvolněného tepla není k dispozici pro skutečné využití zásobníkem energie. Proto lze množství tepla zjištěné pomocí ARC® 254 během nabíjení a vybíjení zaznamenat jako ztráty z hlediska účinnosti nabíjení. Výsledky reakčního tepla článku 18650 v závislosti na různých rychlostech nabíjení jsou uvedeny na obrázcích 7 až 9. Porovná-li se vložený nabíjecí nebo vybíjecí výkon s naměřenými reakčními teply, tj. ztrátami, lze nezávisle určit účinnost dílčích cyklů.
Souhrn
Na NETZSCH ARC® 254 byl použit cyklus válcové baterie (18650) při 35 °C a různých rychlostech nabíjení (1C, C/2, C/4). Zjištěné reakční teplo odpovídá tepelným ztrátám, které umožňují stanovit účinnost cyklů pro nabíjení a vybíjení nezávisle na sobě. Pokud by nedocházelo k žádným ztrátám, byla by účinnost 100 %. Ztráty zjištěné z reakčních teplot jsou shrnuty pro nabíjecí a vybíjecí cykly, ale také pro různé rychlosti nabíjení, na obrázku 10. Je zřejmé, že pro nízké rychlosti nabíjení (C/4) jsou ztráty nižší, a účinnost je tedy vyšší než pro vyšší rychlosti nabíjení (1C).