Az akkumulátor állapotának meghatározása
Amikor egy energiatároló egység használatáról van szó, mindig az aktuális "töltöttségi szintje" az érdekes - legyen szó akár egy mobiltelefon vagy egy laptop hátralévő üzemidejének értékeléséről, akár egy elektromos jármű hatótávolságáról. Bár egy mobiltelefon vagy laptop esetében a töltési idő meglehetősen kis szerepet játszik, az elektromobilitás szempontjából különösen fontos lehet.
Egy energiatároló aktuális állapotának jó leírása nehezebb lehet, mint amilyennek elsőre tűnik. Egy akkumulátor aktuális állapotának jó illusztrációja a hordómodell [1]. Ezt a modellt már részletesen leírták az érmeelemek ciklikus ciklikussága kapcsán [2]. A következőkben a 18650-es cellák, azaz az érmecelláknál lényegesen nagyobb méretű akkumulátorok töltése és kisütése közbeni hőfejlődését vizsgáljuk.
A NETZSCH ARC® 254
A NETZSCH Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® 254 (1. ábra) egy gyorsuló sebességű kaloriméter, egy olyan műszer, amelyet általában egyes anyagok vagy reakcióelegyek úgynevezett Termikus elszabadulásA termikus elszabadulás az a helyzet, amikor egy kémiai reaktor a kémiai reakció által okozott hőmérséklet- és/vagy nyomásnövekedés miatt irányíthatatlanná válik. A termikus elszabadulás szimulációját általában a gyorsított sebességű kalorimetria (ARC) szerinti kalorimetriás készülékkel végzik.termikus elszabadulásának vizsgálatára használnak [3]. Az akkumulátorok ciklikusságát illetően azonban a Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® 254 IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus kaloriméterként használható. Ehhez a Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® 254 beállítása speciális módon használható. A fent említett biztonsági vizsgálatokhoz a Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® 254 tényleges kaloriméterkamráját különböző független fűtőberendezések veszik körül. Az akkumulátorok IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus vizsgálatához ezeket a kaloriméterben egy másik fűtőtest veszi körül, így az akkumulátor hőmérséklete a kalorimétertől függetlenül szabályozható.
18650 cellák
Az úgynevezett 18650-es cellák szabványos ipari cellák, amelyek 18 mm átmérőjű és 65,0 mm magas hengeres fémházban vannak (2. ábra).
Az akkumulátort a hengeres cellát körülvevő fűtőelembe helyezik (3. ábra) és a kaloriméter mérőkamrájába szerelik.
Az akkumulátor egy egyszerű csatlakozódugón keresztül csatlakozik a külső ciklikus egységhez (4. ábra), hogy a töltéshez és kisütéshez áramot és feszültséget adjon.
Az akkumulátorok töltés és kisütés közbeni hőegyensúlyának meghatározása iránti érdeklődés, bár aktuális kérdés, nem teljesen új. Bár a NETZSCH ARC® 254 alábbiakban ismertetett elrendezése eltér az irodalomban található sablonoktól, az alapvető megközelítés megegyezik a Hansen et al. által 1982-ben leírtakkal [4].
A 3D-VariPhi fűtőberendezés
Amint már jeleztük, a henger alakú akkumulátort közvetlenül körülveszi a 3D-VariPhi fűtőberendezés ( 5 az 5. ábrán). Ennek bizonyos mennyiségű hőt kell szolgáltatnia ahhoz, hogy az akkumulátort állandó hőmérsékleten tartsa, és ezért bizonyos mennyiségű energiát igényel. A szükséges teljesítmény számos tényezőtől függ, amelyek közül nem utolsósorban a környezeti hőmérséklettől.
A kellően hosszú szabályozási rendszer létrehozása érdekében a kaloriméter többi fűtőberendezését (2 , 6 , 9 és 10 az 5. ábrán) állandó alacsonyabb hőmérsékletre állítják. Ha a töltés és kisütés során az akkumulátorban zajló energetikai folyamatok megváltoztatnák a cella hőmérsékletét, a 3D-VariPhi fűtőegység (5) áramellátása azonnal reagálni tudna, és így biztosítaná az akkumulátor állandó hőmérsékletét. A 3D-VariPhi fűtőberendezés ( 5 ) rögzített teljesítményéből viszont közvetlenül meghatározható az akkumulátor által a ciklusok során felvett vagy leadott hőmennyiség.
Mivel a 3D-VariPhi fűtőberendezés által az akkumulátor hőmérsékletének fenntartásához szükséges teljesítmény fontos, a fűtési teljesítmény és az akkumulátor hőmérséklete közötti összefüggést a 6. ábra mutatja be.
Egy 18650-es cella ciklizálása
A vizsgálandó 18650-es cellát a 3D-VariPhi fűtőberendezéssel állandó 35°C-os hőmérsékleten tartottuk. Egy meghatározott töltési folyamatot (cut-off 2,5 V) követően ezt a lítiumion akkumulátort az úgynevezett CC/CV töltési folyamat (állandó áram/állandó feszültség) alkalmazásával töltöttük (4,2 V, l-limit 100 mA). A 120 perces szünet után a kisütés következett. Ezt a kettőt aztán egyszer megismételtük. Az alkalmazott töltési és kisütési áramok az 1. táblázatban vannak összefoglalva.
Táblázat: Töltési és kisütési áramok
| Töltés | Kisütés | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
A felhasználók mindannyian tudják saját tapasztalatukból, hogy a mobiltelefonok vagy laptopok intenzív működés közben és töltés közben is felmelegednek. A töltési ciklus szempontjából ezek a hőfejlődések energiaveszteséget jelentenek, mivel az így felszabaduló hő egy része nem áll az energiatároló tényleges felhasználására. Következésképpen a ARC® 254 által a töltés és a kisütés során észlelt hőmennyiségek a töltési hatékonyság szempontjából veszteségként könyvelhetők el. A 18650-es cella reakcióhőjére vonatkozó eredményeket a különböző töltési sebességek függvényében a 7-9. ábra mutatja. Ha a befektetett töltési vagy kisütési teljesítményt összevetjük a mért reakcióhővel, azaz a veszteségekkel, akkor a részciklusok hatásfoka önállóan meghatározható.
Összefoglaló
A NETZSCH ARC® 254 készüléket egy hengeres akkumulátor (18650) 35°C-on történő ciklizálására használták különböző töltési sebességek (1C, C/2, C/4) mellett. A detektált reakcióhőmérsékletek megfelelnek a hőveszteségeknek, amelyek lehetővé teszik a töltési és kisütési ciklusok hatékonyságának egymástól független meghatározását. Ha nem lennének veszteségek, a hatásfok 100% lenne. A reakcióhőből meghatározott veszteségeket a töltési és kisütési ciklusokra, valamint a különböző töltési sebességekre vonatkozóan a 10. ábra foglalja össze. Látható, hogy alacsony töltési sebességek (C/4) esetén a veszteségek kisebbek, és így a hatásfok is magasabb, mint magasabb töltési sebességek (1C) esetén.