Προσδιορισμός της κατάστασης της μπαταρίας
Όταν πρόκειται για τη χρήση μιας μονάδας αποθήκευσης ενέργειας, η τρέχουσα "στάθμη πλήρωσης" της έχει πάντα ενδιαφέρον - είτε πρόκειται για την αξιολόγηση του εναπομένοντος χρόνου λειτουργίας ενός κινητού τηλεφώνου ή ενός φορητού υπολογιστή είτε για την εμβέλεια ενός ηλεκτρικού οχήματος. Αν και ο χρόνος φόρτισης μπορεί να παίζει μάλλον δευτερεύοντα ρόλο για ένα κινητό τηλέφωνο ή έναν φορητό υπολογιστή, μπορεί να έχει ιδιαίτερη σημασία στο πλαίσιο της ηλεκτροκίνησης.
Η καλή περιγραφή της τρέχουσας κατάστασης μιας μονάδας αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να είναι πιο δύσκολη από ό,τι φαίνεται αρχικά. Μια καλή απεικόνιση της τρέχουσας κατάστασης ενός συσσωρευτή είναι το μοντέλο του βαρελιού [1]. Το μοντέλο αυτό έχει ήδη περιγραφεί λεπτομερώς σε σχέση με την ανακύκλωση των κυψελών νομισμάτων [2]. Στη συνέχεια, θα διερευνηθεί η ανάπτυξη θερμότητας κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση στοιχείων 18650, δηλαδή μπαταριών που είναι σημαντικά larger σε σχέση με τις κυψέλες κερμάτων.
Το NETZSCH ARC® 254
Το NETZSCH Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® 254 (εικόνα 1) είναι ένα θερμιδόμετρο επιταχυνόμενου ρυθμού, ένα όργανο που χρησιμοποιείται συνήθως για τη διερεύνηση της λεγόμενης θερμικής διαφυγής μεμονωμένων ουσιών ή μειγμάτων αντιδράσεων [3]. Ωστόσο, όσον αφορά την ανακύκλωση μπαταριών, το Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® 254 πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ως ισοθερμικό θερμιδόμετρο. Για το σκοπό αυτό, η διάταξη του Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® 254 μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ειδικό τρόπο. Για τις προαναφερθείσες έρευνες ασφαλείας, ο πραγματικός θάλαμος θερμιδόμετρου στο Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® 254 περιβάλλεται από διάφορα ανεξάρτητα θερμαντικά σώματα. Για την ισοθερμική εξέταση των συσσωρευτών, αυτοί περιβάλλονται από έναν άλλο θερμαντήρα στο θερμιδόμετρο, έτσι ώστε η θερμοκρασία του συσσωρευτή να ελέγχεται ανεξάρτητα από το θερμιδόμετρο.
κυψέλες 18650
Οι λεγόμενες κυψέλες 18650 είναι τυποποιημένες βιομηχανικές κυψέλες σε κυλινδρικό μεταλλικό περίβλημα με διάμετρο 18 mm και ύψος 65,0 mm (εικόνα 2).
Η μπαταρία τοποθετείται σε θερμαντήρα που περιβάλλει την κυλινδρική κυψέλη (εικόνα 3) και εγκαθίσταται στο θάλαμο μέτρησης του θερμιδόμετρου.
Η µπαταρία συνδέεται µε την εξωτερική µονάδα κυκλικής λειτουργίας (σχήµα 4) µέσω ενός απλού βύσµατος σύνδεσης για την εφαρµογή ρεύµατος και τάσης για φόρτιση και εκφόρτιση.
Το ενδιαφέρον για τον προσδιορισμό των θερμικών ισορροπιών των μπαταριών κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, αν και αποτελεί κορυφαίο επίκαιρο θέμα, δεν είναι εντελώς νέο. Αν και η διάταξη στο NETZSCH ARC® 254 που περιγράφεται παρακάτω διαφέρει από τα πρότυπα της βιβλιογραφίας, η βασική προσέγγιση είναι πανομοιότυπη με εκείνη που περιγράφηκε από τους Hansen et al. το 1982 [4].
Η θερμάστρα 3D-VariPhi
Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η κυλινδρική μπαταρία περιβάλλεται άμεσα από το θερμαντήρα 3D-VariPhi ( 5 στο σχήμα 5). Πρέπει να παρέχει ένα ορισμένο ποσό θερμότητας προκειμένου να διατηρείται η μπαταρία σε σταθερή θερμοκρασία και, συνεπώς, απαιτεί ένα ορισμένο ποσό ισχύος. Η απαιτούμενη ισχύς εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, ο κυριότερος από τους οποίους είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος.
Για να δημιουργηθεί ένα σύστημα ελέγχου επαρκούς διάρκειας, οι άλλοι θερμαντήρες του θερμιδόμετρου (2 , 6 , 9 και 10 στο σχήμα 5) ρυθμίζονται σε σταθερή χαμηλότερη θερμοκρασία. Εάν οι ενεργειακές διεργασίες κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση στη μπαταρία μεταβάλλουν τη θερμοκρασία του στοιχείου, η παροχή ρεύματος του θερμαντήρα 3D-VariPhi (5) θα είναι σε θέση να αντιδράσει αμέσως και να εξασφαλίσει έτσι μια σταθερή θερμοκρασία στη μπαταρία. Από την καταγεγραμμένη έξοδο του θερμαντήρα 3D-VariPhi ( 5 ), με τη σειρά του, είναι δυνατόν να προσδιοριστεί άμεσα η θερμότητα που απορροφάται ή απελευθερώνεται από τη μπαταρία κατά τη διάρκεια των κύκλων.
Δεδομένου ότι η ισχύς που απαιτείται από τον θερμαντήρα 3D-VariPhi για τη διατήρηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας είναι σημαντική, η σχέση μεταξύ της ισχύος θέρμανσης και της θερμοκρασίας της μπαταρίας καταγράφεται στο σχήμα 6.
Ανακύκλωση μιας κυψέλης 18650
Η κυψέλη 18650 που επρόκειτο να εξεταστεί διατηρήθηκε σε σταθερή θερμοκρασία 35°C από τον θερμαντήρα 3D-VariPhi. Μετά από μια καθορισμένη διαδικασία φόρτισης (αποκοπή 2,5 V), αυτή η μπαταρία ιόντων λιθίου φορτίστηκε (4,2 V, όριο l 100 mA) με τη λεγόμενη διαδικασία φόρτισης CC/CV (σταθερό ρεύμα/σταθερή τάση). Μετά από ένα διάλειμμα 120 λεπτών, ακολούθησε εκφόρτιση. Οι δύο αυτές διαδικασίες επαναλήφθηκαν στη συνέχεια μία φορά. Τα ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης που χρησιμοποιήθηκαν συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης
| Φόρτιση | Εκφόρτιση | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Όλοι οι χρήστες γνωρίζουν από τη δική τους εμπειρία ότι τα κινητά τηλέφωνα ή οι φορητοί υπολογιστές θερμαίνονται κατά την εντατική λειτουργία και ομοίως κατά τη φόρτιση. Όσον αφορά τον κύκλο φόρτισης, αυτές οι θερμικές εξελίξεις αντιπροσωπεύουν απώλειες ενέργειας, επειδή το μέρος της θερμότητας που απελευθερώνεται με αυτόν τον τρόπο δεν είναι διαθέσιμο για πραγματική χρήση από τη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας. Κατά συνέπεια, οι ποσότητες θερμότητας που ανιχνεύονται από το ARC® 254 κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση μπορούν να καταγραφούν ως απώλειες όσον αφορά την απόδοση της φόρτισης. Τα αποτελέσματα για τη θερμότητα αντίδρασης της κυψέλης 18650 σε συνάρτηση με διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης παρουσιάζονται στα σχήματα 7 έως 9. Εάν η ισχύς φόρτισης ή εκφόρτισης που επενδύεται συγκριθεί με τις μετρούμενες θερμότητες αντίδρασης, δηλαδή τις απώλειες, μπορεί να προσδιοριστεί ανεξάρτητα η απόδοση των μερικών κύκλων.
Περίληψη
Το NETZSCH ARC® 254 χρησιμοποιήθηκε για την ανακύκλωση μιας κυλινδρικής μπαταρίας (18650) στους 35°C με διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης (1C, C/2, C/4). Οι ανιχνευόμενες θερμότητες αντίδρασης αντιστοιχούν στις θερμικές απώλειες, οι οποίες επιτρέπουν τον προσδιορισμό της απόδοσης των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης ανεξάρτητα μεταξύ τους. Εάν δεν υπήρχαν απώλειες, η απόδοση θα ήταν 100%. Οι απώλειες που προσδιορίζονται από τις θερµότητες αντίδρασης συνοψίζονται για τους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, αλλά και για τους διαφορετικούς ρυθµούς φόρτισης, στο σχήµα 10. Είναι σαφές ότι για τους χαμηλούς ρυθμούς φόρτισης (C/4), οι απώλειες είναι μικρότερες και συνεπώς ο βαθμός απόδοσης είναι υψηλότερος από ό,τι για τους υψηλότερους ρυθμούς φόρτισης (1C).