Bepaling van de batterijconditie
Als het gaat om het gebruik van een energieopslagunit, is de huidige "vulstand" altijd van belang - of het nu gaat om het evalueren van de resterende gebruikstijd van een mobiele telefoon of een laptop, of met betrekking tot de actieradius van een elektrisch voertuig. Hoewel de oplaadtijd voor een mobiele telefoon of laptop een minder belangrijke rol speelt, kan deze van bijzonder belang zijn in de context van elektromobiliteit.
De huidige staat van een energieopslag goed beschrijven kan moeilijker zijn dan het op het eerste gezicht lijkt. Een goede illustratie van de huidige toestand van een accu is het tonmodel [1]. Dit model is al in detail beschreven in verband met de cycli van muntaccu's [2]. In het volgende zal de warmteontwikkeling tijdens het laden en ontladen van 18650 cellen, d.w.z. aanzienlijk grotere batterijen dan muntcellen, worden onderzocht.
De NETZSCH ARC® 254
De NETZSCH Calorimetrie met versnellende snelheid (ARC)De methode beschrijft isotherme en adiabatische testprocedures die worden gebruikt om thermisch exotherme ontledingsreacties te detecteren.ARC® 254 (figuur 1) is een Accelerating Rate Calorimeter, een instrument dat meestal wordt gebruikt om de zogenaamde Thermische runawayEen thermische runaway is de situatie waarbij een chemische reactor niet meer onder controle is met betrekking tot de temperatuur- en/of drukproductie veroorzaakt door de chemische reactie zelf. Simulatie van een thermische runaway wordt meestal uitgevoerd met een calorimeter volgens versnelde snelheidscalorimetrie (ARC).thermische runaway van individuele stoffen of reactiemengsels te onderzoeken [3]. Met betrekking tot het fietsen van batterijen moet de Calorimetrie met versnellende snelheid (ARC)De methode beschrijft isotherme en adiabatische testprocedures die worden gebruikt om thermisch exotherme ontledingsreacties te detecteren.ARC® 254 echter worden gebruikt als een isotherme calorimeter. Hiervoor kan de opstelling van de Calorimetrie met versnellende snelheid (ARC)De methode beschrijft isotherme en adiabatische testprocedures die worden gebruikt om thermisch exotherme ontledingsreacties te detecteren.ARC® 254 op een speciale manier worden gebruikt. Voor het bovengenoemde veiligheidsonderzoek is de eigenlijke calorimeterruimte in de Calorimetrie met versnellende snelheid (ARC)De methode beschrijft isotherme en adiabatische testprocedures die worden gebruikt om thermisch exotherme ontledingsreacties te detecteren.ARC® 254 omgeven door verschillende onafhankelijke verwarmingselementen. Voor het isotherme onderzoek van accu's worden deze omsloten door een ander verwarmingselement in de calorimeter, zodat de temperatuur van de accu onafhankelijk van de calorimeter kan worden geregeld.
18650 Cellen
Zogenaamde 18650-cellen zijn standaard industriecellen in een cilindrische metalen behuizing met een diameter van 18 mm en een hoogte van 65,0 mm (afbeelding 2).
De batterij wordt in een verwarmingselement geplaatst dat de cilindrische cel omgeeft (figuur 3) en in de meetkamer van de calorimeter geplaatst.
De batterij is verbonden met de externe cyclische eenheid (figuur 4) via een eenvoudige aansluitstekker om stroom en spanning toe te passen voor opladen en ontladen.
De belangstelling voor het bepalen van de thermische balans van accu's tijdens het laden en ontladen is weliswaar actueel, maar niet geheel nieuw. Hoewel de hieronder beschreven opstelling in de NETZSCH ARC® 254 afwijkt van de sjablonen in de literatuur, is de basisaanpak identiek aan die beschreven door Hansen et al. in 1982 [4].
De 3D-VariPhi Verwarmer
Zoals al is aangegeven, wordt de cilindrische batterij direct omgeven door het 3D-VariPhi verwarmingselement (5 in fig. 5). Deze moet een bepaalde hoeveelheid warmte leveren om de batterij op een constante temperatuur te houden en heeft dus een bepaald vermogen nodig. Het benodigde vermogen is afhankelijk van een aantal factoren, waarvan de omgevingstemperatuur niet de minste is.
Om een voldoende lang regelsysteem te creëren, worden de andere verwarmers van de calorimeter (2 , 6 , 9 en 10 in figuur 5) op een constante lagere temperatuur ingesteld. Als de energetische processen tijdens het laden en ontladen in de batterij de temperatuur van de cel zouden veranderen, zou de voeding van het 3D-VariPhi verwarmingselement (5) onmiddellijk kunnen reageren en zo voor een constante temperatuur in de batterij zorgen. Aan de hand van de geregistreerde output van het 3D-VariPhi verwarmingselement ( 5 ) is het op zijn beurt mogelijk om direct de warmte te bepalen die tijdens de cycli door de batterij is opgenomen of afgegeven.
Omdat het vermogen dat het 3D-VariPhi verwarmingselement nodig heeft om de accu op temperatuur te houden belangrijk is, wordt de relatie tussen het verwarmingsvermogen en de accutemperatuur in figuur 6 weergegeven.
Fietsen van een 18650-cel
De te onderzoeken 18650-cel werd op een constante temperatuur van 35°C gehouden door de 3D-VariPhi verwarming. Na een gedefinieerd laadproces (cut-off 2,5 V) werd deze lithiumionbatterij opgeladen (4,2 V, l-limiet 100 mA) met behulp van het zogenaamde CC/CV-laadproces (constante stroom/constante spanning). Na een pauze van 120 minuten volgde het ontladen. Deze twee werden vervolgens één keer herhaald. De gebruikte laad- en ontlaadstromen zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Laad- en ontlaadstromen
| Opladen | Ontladen | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Gebruikers weten allemaal uit eigen ervaring dat mobiele telefoons of laptops warm worden tijdens intensief gebruik en ook tijdens het opladen. In termen van de laadcyclus vormen deze warmteontwikkelingen energieverliezen, omdat het deel van de warmte dat op deze manier vrijkomt niet beschikbaar is voor daadwerkelijk gebruik door de energieopslagunit. Bijgevolg kunnen de warmtehoeveelheden die tijdens het laden en ontladen worden gedetecteerd door ARC® 254 worden geregistreerd als verliezen in termen van laadrendement. De resultaten voor de reactiewarmte van de 18650-cel als functie van verschillende laadsnelheden zijn weergegeven in de figuren 7 tot en met 9. Als het geïnvesteerde laad- of ontlaadvermogen wordt vergeleken met de gemeten reactiewarmte, d.w.z. de verliezen, kan het rendement van de deelcycli onafhankelijk worden bepaald.
Samenvatting
De NETZSCH ARC® 254 werd gebruikt om een cilindrische batterij (18650) bij 35°C op verschillende laadsnelheden (1C, C/2, C/4) te laten werken. De gedetecteerde reactiewarmte komt overeen met de thermische verliezen, waardoor de efficiëntie van de laad- en ontlaadcycli onafhankelijk van elkaar kan worden bepaald. Als er geen verliezen zouden zijn, zou de efficiëntie 100% zijn. De verliezen bepaald uit de reactiewarmte zijn samengevat voor de laad- en ontlaadcycli, maar ook voor de verschillende laadsnelheden, in figuur 10. Het is duidelijk dat voor lage laadsnelheden (C/4) de verliezen lager zijn en het rendement dus hoger is dan voor hogere laadsnelheden (1C).