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アキュムレータの充放電時の熱シグネチャについて

バッテリー状態の判定

エネルギー貯蔵ユニットを使用する場合、携帯電話やノートパソコンの残りの駆動時間を評価するためであれ、電気自動車の航続距離を評価するためであれ、現在の「充填レベル」は常に関心を引く。充電時間は、携帯電話やノートパソコンにとっては些細なことかもしれませんが、エレクトロモビリティの文脈では特に重要です。

エネルギー貯蔵ユニットの現状をうまく説明することは、最初に見たよりも難しいかもしれない。アキュムレータの現在の状態をよく示すものとして、バレル・モデル [1]があります。このモデルについては、コインセルのサイクリング [2]に関連してすでに詳しく説明されています。以下では、18650 セル、つまりコイン・セルよりもかなり大型のバッテリーの充放電時の熱の発生について調査します。

NETZSCH ARC® 254

NETZSCH ARC® 254(図1)は加速熱量計で、通常、個々の物質や反応混合物のいわゆる熱暴走を調べるために使用される装置です[3]。しかし、電池のサイクルに関しては、ARC® 254 を等温熱量計として使用します。このため、ARC® 254 のセットアップを特別な方法で使用することができる。上記の安全性調査のために、ARC® 254 の実際の熱量計チャンバーは、様々な独立したヒーターで囲まれています。アキュムレータの等温検査では、熱量計内の別のヒータで囲み、バッテリの温度を熱量計から独立して制御できるようにします。

18650セル

いわゆる18650セルは、直径18mm、高さ65.0mmの円筒形の金属製ハウジングに入った業界標準のセルである(図2)。

電池は円筒形セルを囲むヒーターに入れられ(図3)、熱量計の測定室に設置される。

バッテリーは、充電と放電のために電流と電圧を印加するため、簡単なコネクタープラグを介して外部サイクルユニット(図4)に接続される。

充放電中の電池の熱収支を測定することへの関心は、現在の最重要課題ではあるが、まったく新しいものではない。以下に説明するNETZSCH ARC® 254 のセットアップは、文献のテンプレートとは異なるが、基本的なアプローチは、1982年にHansenらによって説明されたものと同じである[4]。

1)サムスンINR 18650-15L
3) 3D-VariPhi ヒーター
4) サイクラーバッテリー メトリック MC2020

3D-VariPhi ヒーター

すでに述べたように、円筒形電池は3D-VariPhi ヒーター(図5の5)に直接取り囲まれている。電池の温度を一定に保つためには、ある程度の熱量を供給する必要があるため、ある程度の電力を必要とする。必要な電力は様々な要因に左右されるが、少なくとも周囲温度には左右されない。

十分に長い制御システムを作るために、熱量計の他のヒーター(図5の2、6、9、10)は一定の低い温度に設定されている。VariPhi 電池の充放電中のエネルギー的なプロセスによって電池の温度が変化した場合、3Dヒーター(5)の電源は即座に反応することができ、電池の温度を一定に保つことができる。3D-VariPhi ヒーター(5)の記録された出力から、サイクル中に電池が吸収または放出した熱を直接測定することができます。

バッテリーの温度を維持するために3D-VariPhi ヒーターが必要とする電力は重要であるため、図6には加熱電力とバッテリー温度の関係が記録されている。

5)NETZSCH におけるヒーターの配置ARC®
6)対応する試料温度対25℃熱量計温度を実現するために必要な3D-VariPhi ヒーターの加熱パワー。

18650セルのサイクル

調査対象の18650セルは、3D-VariPhi ヒーターによって35℃の一定温度に保たれた。規定の充電プロセス(カットオフ2.5V)の後、このリチウムイオン電池をいわゆるCC/CV充電プロセス(定電流/定電圧)を用いて充電した(4.2V、lリミット100mA)。120分間の休憩の後、放電を行った。この2つを1回繰り返した。使用した充電電流と放電電流を表1にまとめた。

表1:充放電電流

充電放電
1C1500 mA1500 mA
C/2750 mA750 mA
C/4375 mA375 mA

携帯電話やノートパソコンが、集中的に操作している間や充電中に熱を持つことは、ユーザーなら誰でも経験的に知っている。充電サイクルの観点からは、このような熱の増加はエネルギー損失に相当します。なぜなら、このようにして放出された熱の一部は、エネルギー貯蔵ユニットによる実際の使用に利用できないからです。その結果、充電中および放電中にARC® 254 によって検出された熱量は、充電効率の観点から損失として記録することができる。異なる充電率の関数としての18650セルの反応熱の結果を図7~9に示す。投入された充電または放電電力を、測定された反応熱、すなわち損失と比較すれば、部分サイクルの効率を独自に決定することができる。

7) 18650セルの2回の充放電サイクル(充電率1C)
8) 18650セルの2回の充放電サイクル(充電率C/2)
9) 18650セルの2回の充放電サイクル(充電率C/4)
10) 35℃における18650セルのサイクル、充電率の関数としての負荷効率

概要

NETZSCH ARC® 254を使用し、円筒形電池(18650)を35℃で異なる充電率(1C、C/2、C/4)でサイクルさせた。検出された反応熱は熱損失に対応し、これによって充電と放電のサイクル効率を互いに独立して決定することができる。ロスがなければ、効率は100%になる。反応熱から求めた損失は、充電と放電のサイクルだけでなく、異なる充電率についても図10にまとめられている。低充電率(C/4)では、高充電率(1C)よりもロスが少なく、効率が高いことは明らかである。

Literature

  1. [1]
    A.Jossen, W. Weydanz, "Moderne Akkumulatorenrichtig einsetzen", Inge Reichardt Verlag, Untermeitingen,2006
  2. [2]
    NETZSCH Application Note 231, E. Füglein, "AboutEfficiency of Charging and Discharging Process inLithium-Ion-Accumulator", 2021
  3. [3]
    NETZSCH Application Note 207, E. Füglein, "Is there be Way to Stop Thermal Runaway?
  4. [4]
    L.D. Hansen, R.H. Hart, D.M. Chen, H.F. Gibbard, "High-Temperature Battery Calorimeter", Rev. Sci. Instrum.53 (4) 1982, 503