Akun kunnon määrittäminen
Energiavarastoa käytettäessä sen nykyinen täyttöaste kiinnostaa aina, olipa kyse sitten matkapuhelimen tai kannettavan tietokoneen jäljellä olevan käyttöajan arvioinnista tai sähköauton toimintasäteen mittaamisesta. Vaikka latausajalla voi olla melko vähäinen merkitys matkapuhelimessa tai kannettavassa tietokoneessa, sillä voi olla erityistä merkitystä sähköisen liikkuvuuden yhteydessä.
Energiavarastoyksikön nykytilan kuvaaminen hyvin voi olla vaikeampaa kuin miltä se ensin näyttää. Hyvä esimerkki akun nykytilan kuvaamisesta on tynnyrimalli [1]. Tätä mallia on jo kuvattu yksityiskohtaisesti kolikkokennojen kierron yhteydessä [2]. Seuraavassa tutkitaan 18650-kennojen eli kolikkokennoja huomattavasti suurempien akkujen lämmönkehitystä latauksen ja purkauksen aikana.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254 (kuva 1) on kiihtyvyyskalorimetri, jota käytetään yleensä yksittäisten aineiden tai reaktioseosten niin sanotun termisen karkaamisen tutkimiseen [3]. Akkujen sykliä tutkittaessa Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254 on kuitenkin tarkoitettu käytettäväksi isotermisenä kalorimetrinä. Tätä tarkoitusta varten Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254 -laitteen asetuksia voidaan käyttää erityisellä tavalla. Edellä mainittuja turvallisuustutkimuksia varten Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254 -laitteen varsinaista kalorimetrikammiota ympäröivät useat toisistaan riippumattomat lämmittimet. Akkujen isotermistä tutkimusta varten akut ympäröi kalorimetrissä oleva toinen lämmitin, jolloin akun lämpötilaa voidaan säätää kalorimetristä riippumatta.
18650 kennot
Niin sanotut 18650-kennot ovat teollisuuden standardikennoja, joiden sylinterimäinen metallikotelo on halkaisijaltaan 18 mm ja korkeudeltaan 65,0 mm (kuva 2).
Akku asetetaan lieriömäistä kennoa ympäröivään lämmittimeen (kuva 3) ja asennetaan kalorimetrin mittauskammioon.
Akku liitetään ulkoiseen sykliyksikköön (kuva 4) yksinkertaisella liitäntäpistokkeella, jotta siihen voidaan syöttää virtaa ja jännitettä latausta ja purkausta varten.
Kiinnostus akkujen lämpötasapainon määrittämiseen latauksen ja purkauksen aikana ei ole täysin uusi asia, vaikka se onkin ajankohtainen. Vaikka jäljempänä kuvatun NETZSCH Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254:n kokoonpano poikkeaa kirjallisuudessa esitetyistä malleista, peruslähestymistapa on sama kuin Hansenin ja muiden vuonna 1982 kuvaama [4].
3D-VariPhi Lämmitin
Kuten edellä on jo todettu, lieriömäinen akku on suoraan 3D-VariPhi lämmittimen ympäröimä ( 5 kuvassa 5). Lämmittimen on tuotettava tietty määrä lämpöä, jotta akun lämpötila pysyisi vakiona, ja se vaatii näin ollen tietyn määrän tehoa. Tarvittava teho riippuu useista tekijöistä, joista ympäristön lämpötila ei ole vähäisin.
Riittävän pitkän ohjausjärjestelmän luomiseksi kalorimetrin muut lämmittimet (2 , 6 , 9 ja 10 kuvassa 5) asetetaan vakiolämpötilaa alhaisempaan lämpötilaan. Jos akun latauksen ja purkauksen aikana tapahtuvat energiset prosessit muuttaisivat kennon lämpötilaa, 3D-VariPhi -lämmittimen (5) virransyöttö pystyisi reagoimaan välittömästi ja siten varmistamaan vakiolämpötilan akussa. 3D-VariPhi -lämmittimen ( 5 ) rekisteröidystä tehosta voidaan puolestaan suoraan määrittää akun syklien aikana absorboima tai luovuttama lämpö.
Koska 3D-VariPhi -lämmittimen tarvitsema teho akun lämpötilan ylläpitämiseksi on tärkeä, lämmitystehon ja akun lämpötilan välinen suhde on esitetty kuvassa 6. Lämmitystehon ja akun lämpötilan välinen suhde on esitetty kuvassa 6.
18650-kennon kierrättäminen
Tutkittava 18650-kenno pidettiin 35 °C:n vakiolämpötilassa 3D-VariPhi -lämmittimen avulla. Määritellyn latausprosessin (cut-off 2,5 V) jälkeen tämä litiumioniakku ladattiin (4,2 V, l-raja 100 mA) niin sanotulla CC/CV-latausprosessilla (vakiovirta/vakiojännite). Sen jälkeen pidettiin 120 minuutin tauko, jonka jälkeen seurasi purkaus. Nämä kaksi toistettiin sitten kerran. Käytetyt lataus- ja purkuvirrat on esitetty taulukossa 1.
Taulukko 1: Lataus- ja purkuvirrat
| Lataus | Purkaminen | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Käyttäjät tietävät omasta kokemuksestaan, että matkapuhelimet tai kannettavat tietokoneet kuumenevat intensiivisen käytön aikana ja samoin latauksen aikana. Lataussyklin kannalta nämä lämpökehitykset merkitsevät energiahäviöitä, koska näin vapautuva lämpö ei ole käytettävissä energiavaraston varsinaiseen käyttöön. Näin ollen Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254:n havaitsemat lämpömäärät latauksen ja purkauksen aikana voidaan kirjata lataustehokkuuden kannalta häviöiksi. Tulokset 18650-kennon reaktiolämmöstä eri latausnopeuksien funktiona esitetään kuvissa 7-9. Jos käytettyä lataus- tai purkutehoa verrataan mitattuihin reaktiolämpöihin eli häviöihin, osittaissyklien hyötysuhde voidaan määrittää itsenäisesti.
Yhteenveto
NETZSCH Kiihtyvyyskalorimetria (ARC)Menetelmä, jossa kuvataan isotermiset ja adiabaattiset testimenetelmät, joita käytetään termisesti eksotermisten hajoamisreaktioiden havaitsemiseen.ARC® 254:llä kierrätettiin lieriömäistä akkua (18650) 35 °C:ssa eri latausnopeuksilla (1C, C/2, C/4). Havaitut reaktiolämmöt vastaavat lämpöhäviöitä, joiden avulla voidaan määrittää lataus- ja purkaussyklien tehokkuus toisistaan riippumatta. Jos häviöitä ei olisi, hyötysuhde olisi 100 %. Reaktiolämpöjen perusteella määritetyt häviöt on esitetty yhteenvetona lataus- ja purkaussyklien sekä eri latausnopeuksien osalta kuvassa 10. On selvää, että alhaisilla latausnopeuksilla (C/4) häviöt ovat pienempiä ja siten hyötysuhde on korkeampi kuin korkeammilla latausnopeuksilla (1C).