Determinazione delle condizioni della batteria
Quando si utilizza un accumulatore di energia, il suo attuale "livello di riempimento" è sempre interessante, sia per valutare il tempo di autonomia residua di un telefono cellulare o di un computer portatile, sia per quanto riguarda l'autonomia di un veicolo elettrico. Anche se il tempo di ricarica può avere un ruolo piuttosto secondario per un cellulare o un computer portatile, può essere di particolare importanza nel contesto della mobilità elettrica.
Descrivere bene lo stato attuale di un'unità di accumulo di energia può essere più difficile di quanto sembri. Una buona illustrazione dello stato attuale di un accumulatore è il modello a barile [1]. Questo modello è già stato descritto in dettaglio in relazione al ciclo delle celle a moneta [2]. Di seguito, si analizzerà lo sviluppo di calore durante la carica e la scarica di celle 18650, ovvero batterie significativamente larger rispetto alle celle a moneta.
Il sito NETZSCH ARC® 254
Il NETZSCH ARC® 254 (figura 1) è un calorimetro a velocità accelerata, uno strumento che viene solitamente utilizzato per studiare la cosiddetta Fuga termicaUna fuga termica è la situazione in cui un reattore chimico è fuori controllo rispetto alla produzione di temperatura e/o pressione causata dalla reazione chimica stessa. La simulazione di una fuga termica viene solitamente effettuata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo la calorimetria accelerata (ARC).fuga termica di singole sostanze o miscele di reazioni [3]. Per quanto riguarda il ciclo delle batterie, tuttavia, ARC® 254 deve essere utilizzato come calorimetro IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico. A tal fine, la configurazione di ARC® 254 può essere utilizzata in modo speciale. Per le suddette indagini di sicurezza, la camera del calorimetro ARC® 254 è circondata da vari riscaldatori indipendenti. Per l'esame IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico degli accumulatori, questi sono circondati da un altro riscaldatore nel calorimetro, in modo che la temperatura dell'accumulatore possa essere controllata indipendentemente dal calorimetro.
celle 18650
Le cosiddette celle 18650 sono celle industriali standard in un alloggiamento metallico cilindrico con un diametro di 18 mm e un'altezza di 65,0 mm (figura 2).
La batteria viene inserita in un riscaldatore che circonda la cella cilindrica (figura 3) e installata nella camera di misurazione del calorimetro.
La batteria è collegata all'unità di ciclaggio esterna (figura 4) tramite un semplice connettore per applicare corrente e tensione per la carica e la scarica.
L'interesse per la determinazione degli equilibri termici delle batterie durante la carica e la scarica, pur essendo un tema di grande attualità, non è del tutto nuovo. Sebbene la configurazione del sito NETZSCH ARC® 254 descritta di seguito differisca dai modelli presenti in letteratura, l'approccio di base è identico a quello descritto da Hansen et al. nel 1982 [4].
Il riscaldatore 3D-VariPhi
Come già indicato, la batteria cilindrica è direttamente circondata dal riscaldatore 3DVariPhi ( 5 in fig. 5). Il riscaldatore deve fornire una certa quantità di calore per mantenere la batteria a una temperatura costante e quindi richiede una certa quantità di energia. La potenza richiesta dipende da una serie di fattori, non ultimo la temperatura ambiente.
Per creare un sistema di controllo sufficientemente lungo, gli altri riscaldatori del calorimetro (2 , 6 , 9 e 10 nella figura 5) sono impostati su una temperatura costante inferiore. Se i processi energetici durante la carica e la scarica nella batteria dovessero modificare la temperatura della cella, l'alimentazione del riscaldatore 3DVariPhi (5) sarebbe in grado di reagire immediatamente, garantendo così una temperatura costante nella batteria. Dall'uscita registrata del riscaldatore 3DVariPhi ( 5 ), a sua volta, è possibile determinare direttamente il calore assorbito o rilasciato dalla batteria durante i cicli.
Poiché la potenza richiesta dal riscaldatore 3DVariPhi per mantenere la temperatura della batteria è importante, la relazione tra la potenza di riscaldamento e la temperatura della batteria è riportata nella figura 6.
Ciclo di una cella 18650
La cella 18650 da analizzare è stata mantenuta a una temperatura costante di 35 °C dal riscaldatore 3DVariPhi. Dopo un processo di carica definito (cut-off 2,5 V), questa batteria agli ioni di litio è stata caricata (4,2 V, limite l 100 mA) utilizzando il cosiddetto processo di carica CC/CV (corrente costante/tensione costante). Dopo una pausa di 120 minuti, è seguita la scarica. Questi due processi sono stati poi ripetuti una volta. Le correnti di carica e di scarica utilizzate sono riassunte nella tabella 1.
Tabella 1: Correnti di carica e di scarica
| Carica | Scarico | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Tutti gli utenti sanno, per esperienza personale, che i telefoni cellulari o i computer portatili si riscaldano durante il funzionamento intensivo e allo stesso modo durante la ricarica. In termini di ciclo di carica, questi sviluppi di calore rappresentano perdite di energia, perché la parte di calore rilasciata in questo modo non è disponibile per l'utilizzo effettivo da parte dell'accumulatore di energia. Di conseguenza, le quantità di calore rilevate da ARC® 254 durante la carica e la scarica possono essere registrate come perdite in termini di efficienza di carica. I risultati relativi al calore di reazione della cella 18650 in funzione di diverse velocità di carica sono riportati nelle figure da 7 a 9. Se la potenza di carica o di scarica investita viene confrontata con i calori di reazione misurati, cioè con le perdite, è possibile determinare in modo indipendente l'efficienza dei cicli parziali.
Sintesi
Il sito NETZSCH ARC® 254 è stato utilizzato per effettuare cicli di una batteria cilindrica (18650) a 35°C a diverse velocità di carica (1C, C/2, C/4). I calori di reazione rilevati corrispondono alle perdite termiche, che consentono di determinare l'efficienza dei cicli di carica e scarica indipendentemente l'uno dall'altro. Se non ci fossero perdite, l'efficienza sarebbe del 100%. Le perdite determinate dai calori di reazione sono riassunte nella figura 10 per i cicli di carica e scarica, ma anche per le diverse velocità di carica. È evidente che per basse velocità di carica (C/4), le perdite sono minori e quindi l'efficienza è maggiore rispetto a velocità di carica più elevate (1C).