Détermination de l'état de la batterie
Lorsqu'il s'agit d'utiliser une unité de stockage d'énergie, son "niveau de remplissage" actuel est toujours intéressant, que ce soit pour évaluer l'autonomie restante d'un téléphone ou d'un ordinateur portable, ou pour déterminer l'autonomie d'un véhicule électrique. Bien que le temps de charge joue un rôle plutôt mineur pour un téléphone ou un ordinateur portable, il peut être particulièrement important dans le contexte de l'électromobilité.
Décrire correctement l'état actuel d'une unité de stockage d'énergie peut s'avérer plus difficile qu'il n'y paraît à première vue. Une bonne illustration de l'état actuel d'un accumulateur est le modèle du baril [1]. Ce modèle a déjà été décrit en détail dans le cadre du cycle des cellules à pièces de monnaie [2]. Dans ce qui suit, nous étudierons le développement de la chaleur lors de la charge et de la décharge de piles 18650, c'est-à-dire des piles beaucoup plus grandes que les piles de type "pièce de monnaie".
Le NETZSCH ARC® 254
Le NETZSCH ARC® 254 (figure 1) est un calorimètre à taux d'accélération, un instrument qui est généralement utilisé pour étudier l'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®).emballement thermique de substances individuelles ou de mélanges réactionnels [3]. En ce qui concerne le cyclage des piles, cependant, le ARC® 254 doit être utilisé comme calorimètre IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme. À cette fin, l'installation du ARC® 254 peut être utilisée d'une manière spéciale. Pour les études de sécurité susmentionnées, la chambre calorimétrique réelle du ARC® 254 est entourée de plusieurs appareils de chauffage indépendants. Pour l'examen IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme des accumulateurs, ceux-ci sont entourés d'un autre dispositif de chauffage dans le calorimètre, de sorte que la température de la batterie peut être contrôlée indépendamment du calorimètre.
cellules 18650
Les piles dites 18650 sont des piles industrielles standard dans un boîtier métallique cylindrique d'un diamètre de 18 mm et d'une hauteur de 65,0 mm (figure 2).
La batterie est placée dans un dispositif de chauffage entourant la cellule cylindrique (figure 3) et installée dans la chambre de mesure du calorimètre.
La batterie est reliée à l'unité de cyclage externe (figure 4) par une simple fiche de connexion afin d'appliquer le courant et la tension pour la charge et la décharge.
L'intérêt pour la détermination des bilans thermiques des batteries pendant la charge et la décharge, bien qu'il s'agisse d'un sujet d'actualité, n'est pas entièrement nouveau. Bien que la configuration du site NETZSCH ARC® 254 décrite ci-dessous diffère des modèles de la littérature, l'approche de base est identique à celle décrite par Hansen et al. en 1982 [4].
Le chauffage 3D-VariPhi
Comme nous l'avons déjà indiqué, la batterie cylindrique est directement entourée par le dispositif de chauffage 3DVariPhi (5 dans la figure 5). Il doit fournir une certaine quantité de chaleur afin de maintenir la batterie à une température constante et nécessite donc une certaine puissance. La puissance nécessaire dépend d'un certain nombre de facteurs, dont la température ambiante n'est pas le moindre.
Pour créer un système de contrôle suffisamment long, les autres éléments chauffants du calorimètre (2, 6, 9 et 10 dans la figure 5) sont réglés à une température constante plus basse. Si les processus énergétiques au cours de la charge et de la décharge de la batterie devaient modifier la température de la cellule, l'alimentation électrique du chauffage 3DVariPhi (5) serait en mesure de réagir immédiatement et d'assurer ainsi une température constante dans la batterie. À partir de la sortie enregistrée du dispositif de chauffage 3D-VariPhi (5), il est possible de déterminer directement la chaleur absorbée ou libérée par la batterie au cours des cycles.
Comme la puissance requise par le chauffage 3D-VariPhi pour maintenir la température de la batterie est importante, la relation entre la puissance de chauffage et la température de la batterie est enregistrée dans la figure 6.
Cyclage d'une cellule 18650
La cellule 18650 à étudier a été maintenue à une température constante de 35°C par le chauffage 3D-VariPhi. Après un processus de charge défini (coupure à 2,5 V), cette batterie lithiumion a été chargée (4,2 V, l-limite 100 mA) en utilisant le processus de charge dit CC/CV (courant constant/tension constante). Après une pause de 120 minutes, la batterie a été déchargée. Ces deux opérations ont ensuite été répétées une fois. Les courants de charge et de décharge utilisés sont résumés dans le tableau 1.
Tableau 1 : Courants de charge et de décharge
| Charge | Décharge | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Les utilisateurs savent tous par expérience que les téléphones mobiles ou les ordinateurs portables chauffent lorsqu'ils fonctionnent de manière intensive et qu'il en va de même lors de la charge. En ce qui concerne le cycle de charge, ces développements de chaleur représentent des pertes d'énergie, car la partie de la chaleur ainsi libérée n'est pas disponible pour une utilisation réelle par l'unité de stockage d'énergie. Par conséquent, les quantités de chaleur détectées par le site ARC® 254 pendant la charge et la décharge peuvent être enregistrées comme des pertes en termes d'efficacité de la charge. Les résultats de la chaleur de réaction de la cellule 18650 en fonction de différents taux de charge sont présentés dans les figures 7 à 9. Si la puissance de charge ou de décharge investie est comparée aux chaleurs de réaction mesurées, c'est-à-dire aux pertes, l'efficacité des cycles partiels peut être déterminée de manière indépendante.
Résumé
Le site NETZSCH ARC® 254 a été utilisé pour cycler une batterie cylindrique (18650) à 35°C à différentes vitesses de charge (1C, C/2, C/4). Les chaleurs de réaction détectées correspondent aux pertes thermiques, ce qui permet de déterminer l'efficacité des cycles de charge et de décharge indépendamment l'un de l'autre. S'il n'y avait pas de pertes, le rendement serait de 100 %. Les pertes déterminées à partir des chaleurs de réaction sont résumées pour les cycles de charge et de décharge, mais aussi pour les différents taux de charge, dans la figure 10. Il est clair que pour les faibles taux de charge (C/4), les pertes sont plus faibles et donc le rendement est plus élevé que pour les taux de charge plus élevés (1C).