배터리 상태 확인
에너지 저장 장치를 사용할 때, 휴대폰이나 노트북의 남은 사용 시간을 평가하거나 전기 자동차의 주행 거리와 관련하여 현재 '충전 수준'은 항상 관심의 대상입니다. 충전 시간은 휴대폰이나 노트북의 경우 다소 사소한 역할을 할 수 있지만, 전기 이동수단의 경우 특히 중요할 수 있습니다.
에너지 저장 장치의 현재 상태를 잘 설명하는 것은 생각보다 어려울 수 있습니다. 축전지의 현재 상태를 잘 설명하는 좋은 예가 배럴 모델입니다[1]. 이 모델은 이미 코인 셀의 순환과 관련하여 자세히 설명한 바 있습니다[2]. 여기서는 18650 셀, 즉 동전형 전지보다 훨씬 큰 배터리의 충전 및 방전 시 열 발생에 대해 살펴보겠습니다.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH ARC® 254(그림 1)는 가속 속도 열량계로, 일반적으로 개별 물질 또는 반응 혼합물의 소위 열 폭주를 조사하는 데 사용되는 기기입니다[3]. 그러나 배터리 사이클링과 관련하여 ARC® 254는 등온 열량계로 사용해야 합니다. 이를 위해 ARC® 254의 설정은 특별한 방식으로 사용할 수 있습니다. 위에서 언급한 안전성 조사를 위해 ARC® 254의 실제 열량계 챔버는 다양한 독립 히터로 둘러싸여 있습니다. 축전지의 등온 검사를 위해 축전지는 열량계의 다른 히터로 둘러싸여 있어 열량계와 독립적으로 배터리의 온도를 제어할 수 있습니다.
18650 셀
소위 18650 셀은 직경 18mm, 높이 65.0mm의 원통형 금속 하우징에 들어 있는 표준 산업용 셀입니다(그림 2).
배터리는 원통형 셀을 둘러싼 히터에 배치되고(그림 3) 칼로리미터의 측정 챔버에 설치됩니다.
배터리는 충전 및 방전을 위해 전류와 전압을 적용하기 위해 간단한 커넥터 플러그를 통해 외부 사이클링 장치(그림 4)와 연결됩니다.
충전 및 방전 중 배터리의 열 균형을 측정하는 것에 대한 관심은 현재 가장 큰 이슈이기는 하지만 완전히 새로운 것은 아닙니다. 아래에 설명된 NETZSCH ARC® 254의 설정은 문헌의 템플릿과 다르지만, 기본적인 접근 방식은 1982년 Hansen 등이 설명한 것과 동일합니다[4].
3D-VariPhi 히터
이미 표시된 것처럼 원통형 배터리는 3D-VariPhi 히터로 직접 둘러싸여 있습니다(그림 5의 5). 배터리를 일정한 온도로 유지하려면 일정량의 열을 공급해야 하므로 일정량의 전력이 필요합니다. 필요한 전력은 여러 가지 요인에 따라 달라지며, 그 중 가장 중요한 것은 주변 온도입니다.
충분히 긴 제어 시스템을 만들기 위해 칼로리미터의 다른 히터(그림 5의 2, 6, 9, 10)는 일정한 저온으로 설정되어 있습니다. 배터리 충전 및 방전 중 에너지 프로세스가 셀의 온도를 변경하는 경우 3D-VariPhi 히터 (5)의 전원 공급 장치가 즉시 반응하여 배터리의 일정한 온도를 보장 할 수 있습니다. 3D-VariPhi 히터 (5 )의 기록 된 출력에서 사이클 동안 배터리가 흡수하거나 방출하는 열을 직접 확인할 수 있습니다.
3D-VariPhi 히터가 배터리 온도를 유지하는 데 필요한 전력은 중요하므로 가열 전력과 배터리 온도 사이의 관계는 그림 6에 기록되어 있습니다.
18650 셀 사이클링
조사 대상인 18650 셀은 3D-VariPhi 히터로 35°C의 일정한 온도를 유지했습니다. 정해진 충전 과정(차단 2.5V) 후, 이 리튬 이온 배터리는 소위 CC/CV 충전 과정(정전류/정전압)을 사용하여 충전(4.2V, l-limit 100mA)되었습니다. 120분간 휴식을 취한 후 방전이 이어졌습니다. 그런 다음 이 두 과정을 한 번 반복했습니다. 사용된 충전 및 방전 전류는 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: 충전 및 방전 전류
| 충전 | 방전 | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
사용자들은 휴대폰이나 노트북이 집중적으로 작동하는 동안이나 충전 중에 열이 발생한다는 것을 경험으로 알고 있습니다. 충전 사이클 측면에서 이러한 열 발생은 에너지 손실을 의미하는데, 이렇게 방출되는 열의 일부는 에너지 저장 장치에서 실제로 사용할 수 없기 때문입니다. 따라서 충전 및 방전 중에 ARC® 254에서 감지된 열량은 충전 효율 측면에서 손실로 기록될 수 있습니다. 다양한 충전 속도의 함수로서 18650 셀의 반응 열에 대한 결과는 그림 7~9에 나와 있습니다. 투자된 충전 또는 방전 전력을 측정된 반응 열, 즉 손실과 비교하면 부분 사이클의 효율을 독립적으로 결정할 수 있습니다.
요약
NETZSCH ARC® 254는 35°C에서 원통형 배터리(18650)를 다양한 충전 속도(1C, C/2, C/4)로 사이클하는 데 사용되었습니다. 감지된 반응 열은 열 손실에 해당하며, 이를 통해 충전 및 방전 사이클의 효율을 서로 독립적으로 결정할 수 있습니다. 손실이 없다면 효율은 100%가 됩니다. 반응 열에서 결정된 손실은 충전 및 방전 사이클뿐만 아니라 다양한 충전 속도에 대해 그림 10에 요약되어 있습니다. 낮은 충전 속도(C/4)의 경우 손실이 더 적으므로 높은 충전 속도(1C)보다 효율이 더 높다는 것을 알 수 있습니다.