Εισαγωγή
Το NETZSCH Θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων (Θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων (MMC)Συσκευή θερμιδόμετρου πολλαπλών λειτουργιών που αποτελείται από μια βασική μονάδα και από εναλλάξιμες μονάδες. Μια μονάδα είναι προετοιμασμένη για θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC), η ARC-Μονάδα. Μια δεύτερη χρησιμοποιείται για δοκιμές σάρωσης (Scanning Module) και μια τρίτη σχετίζεται με δοκιμές μπαταριών για κυψέλες νομισμάτων (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (εικόνα 1) προσφέρει τρεις διαφορετικές μονάδες μέτρησης. Η μονάδα Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις λεγόμενες δοκιμές Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search είναι ένας τρόπος μέτρησης που χρησιμοποιείται σε συσκευές θερμιδομέτρων σύμφωνα με τη θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search είναι ένας τρόπος μέτρησης που χρησιμοποιείται σε συσκευές θερμιδομέτρων σύμφωνα με τη θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC).HWS) ή δοκιμές θερμικής διαφυγής [1][2], η μονάδα σάρωσης είναι κατάλληλη για εφαρμογές όπως η αξιολόγηση ενδοθερμικών ή εξώθερμων μεταβάσεων φάσης καθώς και ο έλεγχος θερμικών κινδύνων [3][4] και η μονάδα κυψελών νομισμάτων είναι εξειδικευμένη για τη διερεύνηση μπαταριών [5]. Μια εξωτερική μονάδα κύκλων μπαταρίας μπορεί εύκολα να συνδεθεί στη μονάδα Coin Cell Module μέσω ενός συνδετήρα LEMO. Τα σήματα τάσης και ρεύματος μπορούν να μεταφερθούν στο λογισμικό αξιολόγησης NETZSCH Proteus® . Το προκύπτον σήμα ισχύος προσδιορίζεται αυτόματα και μπορεί να ποσοτικοποιηθεί ανεξάρτητα για τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Με την ανίχνευση της απώλειας θερμότητας κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, είναι δυνατή η αξιολόγηση της αποδοτικότητας της κυκλικής λειτουργίας μιας μπαταρίας. Για το σκοπό αυτό, ο δίδυμος δειγματοφορέας προσφέρει μια διαφορική διάταξη που μοιάζει με DSC (εικόνα 2).
smalllibraΔεδομένου ότι οι περισσότερες από τις μη καταστροφικές ισοθερμικές μελέτες φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών διεξάγονται σε ένα πολύ μεγάλο εύρος θερμοκρασιών κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, είναι απαραίτητο το θερμιδόμετρο να είναι κατάλληλο. Για την προσαρμογή της θερμοκρασίας και της ευαισθησίαςlibraχρησιμοποιούνται συνήθως μέταλλα ως υλικά αναφοράς [6].
Προσδιορισμός της κατάστασης της μπαταρίας
Όταν πρόκειται για τη χρήση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, η τρέχουσα "στάθμη πλήρωσης" του 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 ο χρόνος φόρτισης ενός κινητού τηλεφώνου ή ενός φορητού υπολογιστή παίζει μάλλον δευτερεύοντα ρόλο, μπορεί να έχει ιδιαίτερη σημασία στο πλαίσιο της ηλεκτροκίνησης.
Μοντέλο Ton
Η καλή περιγραφή της τρέχουσας κατάστασης ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να είναι πιο δύσκολη από ό,τι φαίνεται αρχικά. Σύμφωνα με το [7], το μοντέλο βαρελιού χρησιμεύει για την καλή απεικόνιση, καθώς κάνει καλή δουλειά στην οπτική περιγραφή των σημαντικότερων παραγόντων επιρροής κατά τη διάρκεια της χρήσης και, ιδίως, εκείνων που οφείλονται σε διαδικασίες γήρανσης (εικ. 3). Το μοντέλο συγκρίνει το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με ένα βαρέλι βροχής, όπου η στάθμη του υγρού στο βαρέλι αντιπροσωπεύει την τρέχουσα κατάσταση φόρτισης. Ο συνολικός όγκος στη νέα κατάσταση αντιστοιχεί στη μέγιστη χωρητικότητα 100%. Στο κάτω μέρος του βαρελιού υπάρχει μια έξοδος για την "εκφόρτιση" και στο πάνω μέρος μια είσοδος για τη "φόρτιση". Οι περιορισμένες διάμετροι της εισόδου και της εξόδου απεικονίζουν ότι υπάρχει όριο στην ταχύτητα με την οποία μπορούν να φορτιστούν ή να εκφορτιστούν τα βαρέλια. Ο περιορισμός αυτός αντιστοιχεί στην εσωτερική αντίσταση του συσσωρευτή. Ακόμη και όταν η είσοδος και η έξοδος είναι κλειστές, το βαρέλι χάνει υγρό με την πάροδο του χρόνου, επειδή έχει οπές small και επομένως δεν είναι απόλυτα στεγανό. Αυτές οι απώλειες αντιπροσωπεύουν την αυτοεκφόρτιση ενός συσσωρευτή. Η γήρανση του συσσωρευτή περιγράφεται περαιτέρω από τον σχηματισμό "λίθων". Αυτές μειώνουν τον ωφέλιμο όγκο του βαρελιού και συνεπώς τη χωρητικότητα του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, το βαρέλι σκουριάζει με την πάροδο του χρόνου, αυξάνοντας τον αριθμό των οπών small και συνεπώς τις απώλειες λόγω "αυτοεκφόρτισης".
Με αυτό το μοντέλο, που παρουσιάζεται στο σχήμα 3, μπορούν να περιγραφούν οι σημαντικότερες διεργασίες κατά τη λειτουργία ενός συσσωρευτή. Η τρέχουσα κατάσταση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας αναφέρεται επίσης ως "κατάσταση υγείας".
Απώλειες κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση
Ανεξάρτητα από την κατάσταση της μπαταρίας, κατά τη διάρκεια κάθε διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης σημειώνονται επίσης ενεργειακές απώλειες. Όλοι γνωρίζουμε από τη δική μας εμπειρία ότι τα κινητά τηλέφωνα ή οι φορητοί υπολογιστές θερμαίνονται κατά την εντατική λειτουργία αλλά και κατά τη φόρτιση. Αυτές οι θερμικές εξελίξεις αντιπροσωπεύουν ενεργειακές απώλειες, επειδή οι ποσότητες θερμότητας που απελευθερώνονται με αυτόν τον τρόπο δεν είναι διαθέσιμες για πραγματική χρήση μέσω του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας.
Με τη βοήθεια του αισθητήρα στη μονάδα Coin Cell Module του Θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων (MMC)Συσκευή θερμιδόμετρου πολλαπλών λειτουργιών που αποτελείται από μια βασική μονάδα και από εναλλάξιμες μονάδες. Μια μονάδα είναι προετοιμασμένη για θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC), η ARC-Μονάδα. Μια δεύτερη χρησιμοποιείται για δοκιμές σάρωσης (Scanning Module) και μια τρίτη σχετίζεται με δοκιμές μπαταριών για κυψέλες νομισμάτων (Coin Cell Module).MMC (εικόνα 2), αυτές οι θερμικές απώλειες μπορούν να ανιχνευθούν και να ποσοτικοποιηθούν.
Έλεγχος των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πολύ ευαίσθητες όσον αφορά την υπερφόρτιση, καθώς αυτή μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε αποσύνθεση των ηλεκτρολυτών. Ως εκ τούτου, οι συνήθεις μέθοδοι φόρτισης συνήθως περιορίζουν τη μέγιστη τάση φόρτισης στα 4,2 V [7]. Επίσης, στην παρούσα εργασία, οι κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης μιας κυψέλης ιόντων λιθίου (LiR 2032) περιορίστηκαν χρησιμοποιώντας μια τάση αποκοπής 4,2 V για φόρτιση και 2,5 V για εκφόρτιση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον κύκλο που παρουσιάζεται ως παράδειγμα στο σχήμα 4. Μετά από έναν κύκλο προφόρτισης (που δεν παρουσιάζεται εδώ), το κελί κέρματος φορτίζεται στους 25°C με σταθερό ρεύμα 45 mA μέχρι μια τάση αποκοπής 4,2 V 1 . Στην επακόλουθη φάση χαλάρωσης 2 , η κυψελίδα κέρματος και ο αισθητήρας επιστρέφουν σε θερμική ισορροπία. Η φάση διφόρτισης 3 περιορίζεται από την τάση αποκοπής των 2,5 V και ακολουθείται και πάλι από μια φάση χαλάρωσης 4.
Τα σήματα ρεύματος και τάσης μεταφέρονται από τη μονάδα κύκλου στο λογισμικό αξιολόγησης NETZSCH Proteus® όπου υπολογίζεται αυτόματα ένα σήμα ισχύος. Για τον προσδιορισμό των απωλειών κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, η επενδεδυμένη ισχύς και η εκλυόμενη θερμότητα μπορούν έτσι να προσδιοριστούν ανεξάρτητα για κάθε μερικό κύκλο. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατόν να υποδειχθεί ποιο ποσοστό της επενδυμένης ενέργειας απελευθερώθηκε ως θερμότητα.
Το σχήμα 5 δείχνει πώς η αξιολόγηση της περιοχής του σήματος ροής θερμότητας της διαδικασίας φόρτισης υπολογίζει αυτόματα την ενέργεια που επενδύθηκε (εδώ 411,6 J) και την αναλογεί με το σήμα ροής θερμότητας που μετρήθηκε (εδώ 11,12 J). Αυτό οδηγεί σε απόδοση 97,3%. Για την επακόλουθη εκφόρτιση, η απόδοση ανέρχεται μόνο σε 89,9% λόγω της σημαντικά υψηλότερης παραγωγής θερμότητας.
Διαφορετικοί ρυθμοί φόρτισης και εκφόρτισης
Εάν οι κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης πραγματοποιούνται με διαφορετικούς ρυθμούς σύμφωνα με τα προαναφερθέντα κριτήρια διακοπής, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η ενέργεια που απορροφάται από το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, και συνεπώς, φυσικά, το ποσό της διαθέσιμης ενέργειας κατά την εκφόρτιση, εξαρτάται πολύ έντονα από τον αντίστοιχο ρυθμό (σχήμα 6). Εάν το πανομοιότυπο στοιχείο (LiR 2032) φορτιστεί με 45 mA (C/1), απορροφώνται 415 J, ενώ με ρυθμό φόρτισης C/8 (5,6 mA) απορροφώνται σχεδόν 550 J.
Η θερμοκρασία στην οποία ο συσσωρευτής ανακυκλώνεται επηρεάζει επίσης το ποσό της ενέργειας που απορροφάται και την απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης. Στο σχήμα 7 απεικονίζονται οι απορροφηθείσες ενέργειες των κύκλων φόρτισης σε διαφορετικές θερμοκρασίες.
Περίληψη
Το MMC Coin Cell Module 274 Nexus® χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση μιας επαναφορτιζόμενης κυψέλης LiR 2032 σε διαφορετικές θερμοκρασίες και διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης όσον αφορά τη θερμότητα που προκύπτει. Για τους κύκλους φόρτισης χρησιμοποιήθηκαν ανώτερη και κατώτερη τάση αποκοπής 4,2 V και 2,5 V. Η ισχύς που παρέχεται στον συσσωρευτή από τη μονάδα κυκλικής φόρτισης κατά τη διάρκεια της φόρτισης μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από τα σήματα ρεύματος και τάσης της μονάδας κυκλικής φόρτισης. Η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία αυτή μετράται άμεσα από τον αισθητήρα της μονάδας κυψελών νομισμάτων. Ο λόγος της ισχύος που μεταφέρεται στον συσσωρευτή και της ποσότητας θερμότητας που απελευθερώνεται επιτρέπει τον ανεξάρτητο προσδιορισμό της απόδοσης για τις διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης. Έχει αποδειχθεί ότι τόσο η απορροφούμενη ισχύς όσο και η αντίστοιχη απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης εξαρτώνται έντονα από τους ρυθμούς φόρτισης και τη θερμοκρασία.