Determinación del estado de la batería
Cuando se trata de utilizar una unidad de almacenamiento de energía, su "nivel de llenado" actual siempre es interesante, ya sea para evaluar el tiempo de funcionamiento restante de un teléfono móvil o un ordenador portátil, o en relación con la autonomía de un vehículo eléctrico. Aunque el tiempo de carga puede desempeñar un papel menor para un teléfono móvil o un ordenador portátil, puede ser de especial importancia en el contexto de la electromovilidad.
Describir bien el estado actual de una unidad de almacenamiento de energía puede ser más difícil de lo que parece a primera vista. Una buena ilustración del estado actual de un acumulador es el modelo de barril [1]. Este modelo ya se ha descrito en detalle en relación con el ciclado de las pilas monedero [2]. A continuación, se investigará el desarrollo de calor durante la carga y descarga de pilas 18650, es decir, pilas bastante más grandes que las de tipo moneda.
NETZSCH ARC® 254
El NETZSCH ARC® 254 (figura 1) es un calorímetro de velocidad de aceleración, un instrumento que se utiliza normalmente para investigar el llamado desbocamiento térmico de sustancias individuales o mezclas de reacción [3]. Sin embargo, en lo que respecta a los ciclos de las baterías, el ARC® 254 se utilizará como calorímetro isotérmico. Para ello, la configuración del ARC® 254 puede utilizarse de forma especial. Para las investigaciones de seguridad antes mencionadas, la cámara del calorímetro real del ARC® 254 está rodeada de varios calentadores independientes. Para el examen isotérmico de acumuladores, éstos están rodeados por otro calentador en el calorímetro, de modo que la temperatura del acumulador puede controlarse independientemente del calorímetro.
pilas 18650
Las denominadas pilas 18650 son pilas estándar de la industria en una carcasa cilíndrica de metal con un diámetro de 18 mm y una altura de 65,0 mm (figura 2).
La batería se coloca en un calentador que rodea la célula cilíndrica (figura 3) y se instala en la cámara de medición del calorímetro.
La batería se conecta con la unidad de ciclado externa (figura 4) a través de un simple enchufe conector con el fin de aplicar corriente y tensión para la carga y descarga.
El interés por determinar los equilibrios térmicos de las baterías durante la carga y la descarga, aunque es un tema de máxima actualidad, no es del todo nuevo. Aunque la configuración en el NETZSCH ARC® 254 descrita a continuación difiere de las plantillas en la literatura, el enfoque básico es idéntico al descrito por Hansen et al. en 1982 [4].
El calentador 3D-VariPhi
Como ya se ha indicado, la batería cilíndrica está rodeada directamente por el calentador 3D-VariPhi ( 5 en la fig. 5). Para mantener la batería a una temperatura constante, debe proporcionar una cierta cantidad de calor y, por lo tanto, requiere una cierta cantidad de energía. La potencia necesaria depende de varios factores, entre ellos la temperatura ambiente.
Para crear un sistema de control suficientemente largo, los demás calentadores del calorímetro (2 , 6 , 9 y 10 en la figura 5) se ajustan a una temperatura inferior constante. Si los procesos energéticos durante la carga y descarga en la batería modificaran la temperatura de la célula, la fuente de alimentación del calentador 3D-VariPhi (5) podría reaccionar inmediatamente y garantizar así una temperatura constante en la batería. A su vez, a partir de la potencia registrada del calentador 3D-VariPhi ( 5 ) es posible determinar directamente el calor absorbido o liberado por la batería durante los ciclos.
Dado que la potencia requerida por el calentador 3D-VariPhi para mantener la temperatura de la batería es importante, en la figura 6 se registra la relación entre la potencia de calentamiento y la temperatura de la batería.
Ciclado de una pila 18650
La célula 18650 que se iba a investigar se mantuvo a una temperatura constante de 35 °C mediante el calentador 3D-VariPhi. Tras un proceso de carga definido (corte de 2,5 V), esta batería de iones de litio se cargó (4,2 V, límite l de 100 mA) mediante el denominado proceso de carga CC/CV (corriente constante/tensión constante). Tras una pausa de 120 minutos, se procedió a la descarga. Estas dos operaciones se repitieron una vez. Las corrientes de carga y descarga utilizadas se resumen en la tabla 1.
Tabla 1: Corrientes de carga y descarga
| Carga | Descarga | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Todos los usuarios saben por experiencia propia que los teléfonos móviles o los ordenadores portátiles se calientan durante el funcionamiento intensivo y lo mismo ocurre durante la carga. En términos del ciclo de carga, estos desarrollos de calor representan pérdidas de energía, porque la parte de calor liberada de esta manera no está disponible para su uso real por la unidad de almacenamiento de energía. Por consiguiente, las cantidades de calor detectadas por ARC® 254 durante la carga y la descarga pueden registrarse como pérdidas en términos de eficiencia de carga. En las figuras 7 a 9 se muestran los resultados del calor de reacción de la pila 18650 en función de diferentes velocidades de carga. Si se compara la potencia de carga o descarga invertida con los calores de reacción medidos, es decir, las pérdidas, se puede determinar independientemente la eficiencia de los ciclos parciales.
Resumen
El NETZSCH ARC® 254 se utilizó para ciclar una batería cilíndrica (18650) a 35°C a diferentes velocidades de carga (1C, C/2, C/4). Los calores de reacción detectados corresponden a las pérdidas térmicas, que permiten determinar la eficiencia de los ciclos de carga y descarga de forma independiente. Si no hubiera pérdidas, el rendimiento sería del 100%. En la figura 10 se resumen las pérdidas determinadas a partir de los calores de reacción para los ciclos de carga y descarga, pero también para las diferentes velocidades de carga. Es evidente que para velocidades de carga bajas (C/4), las pérdidas son menores y, por tanto, la eficiencia es mayor que para velocidades de carga más altas (1C).