Określenie stanu akumulatora
Jeśli chodzi o korzystanie z magazynu energii, jego aktualny "poziom naładowania" jest zawsze interesujący - czy to w celu oceny pozostałego czasu pracy telefonu komórkowego lub laptopa, czy też w odniesieniu do zasięgu pojazdu elektrycznego. Chociaż czas ładowania może odgrywać raczej niewielką rolę w przypadku telefonu komórkowego lub laptopa, może mieć szczególne znaczenie w kontekście elektromobilności.
Dobre opisanie aktualnego stanu magazynu energii może być trudniejsze, niż się początkowo wydaje. Dobrą ilustracją aktualnego stanu akumulatora jest model baryłkowy [1]. Model ten został już szczegółowo opisany w związku z cyklem ogniw monetarnych [2]. W dalszej części zostanie zbadany rozwój ciepła podczas ładowania i rozładowywania ogniw 18650, tj. znacznie larger akumulatorów niż ogniw pastylkowych.
NETZSCH ARC® 254
Kalorymetr NETZSCH ARC® 254 (rysunek 1) to kalorymetr przyspieszający, przyrząd, który jest zwykle używany do badania tak zwanej ucieczki termicznej pojedynczych substancji lub mieszanin reakcyjnych [3]. Jednak w odniesieniu do cykli akumulatorów, ARC® 254 ma być używany jako kalorymetr IzotermicznyTesty w kontrolowanej i stałej temperaturze nazywane są izotermicznymi.izotermiczny. W tym celu konfiguracja ARC® 254 może być wykorzystana w specjalny sposób. W przypadku wyżej wymienionych badań bezpieczeństwa, rzeczywista komora kalorymetru w ARC® 254 jest otoczona różnymi niezależnymi grzejnikami. W przypadku izotermicznego badania akumulatorów, są one otoczone inną grzałką w kalorymetrze, dzięki czemu temperatura akumulatora może być kontrolowana niezależnie od kalorymetru.
ogniwa 18650
Tak zwane ogniwa 18650 to standardowe ogniwa przemysłowe w cylindrycznej metalowej obudowie o średnicy 18 mm i wysokości 65,0 mm (rysunek 2).
Bateria jest umieszczana w grzałce otaczającej cylindryczne ogniwo (rysunek 3) i instalowana w komorze pomiarowej kalorymetru.
Akumulator jest połączony z zewnętrzną jednostką cykliczną (rysunek 4) za pomocą prostej wtyczki w celu doprowadzenia prądu i napięcia do ładowania i rozładowywania.
Zainteresowanie określeniem bilansu cieplnego akumulatorów podczas ładowania i rozładowywania, choć jest obecnie bardzo ważnym zagadnieniem, nie jest całkowicie nowe. Chociaż opisana poniżej konfiguracja w NETZSCH ARC® 254 różni się od szablonów w literaturze, podstawowe podejście jest identyczne z opisanym przez Hansena i in. w 1982 roku [4].
Grzejnik 3D-VariPhi
Jak już wspomniano, cylindryczna bateria jest bezpośrednio otoczona grzałką 3DVariPhi (5 na rys. 5). Musi ona dostarczać pewną ilość ciepła, aby utrzymać stałą temperaturę akumulatora, a zatem wymaga pewnej ilości energii. Wymagana moc zależy od wielu czynników, z których najważniejszym jest temperatura otoczenia.
Aby stworzyć wystarczająco długi system sterowania, pozostałe grzałki kalorymetru (2, 6, 9 i 10 na rysunku 5) są ustawione na stałą niższą temperaturę. Jeśli procesy energetyczne podczas ładowania i rozładowywania w akumulatorze miałyby zmienić temperaturę ogniwa, zasilanie grzałki 3D-VariPhi (5) byłoby w stanie natychmiast zareagować, a tym samym zapewnić stałą temperaturę w akumulatorze. Z kolei z zarejestrowanej mocy wyjściowej grzałki 3D-VariPhi ( 5 ) można bezpośrednio określić ciepło pochłonięte lub uwolnione przez akumulator podczas cykli.
Ponieważ moc wymagana przez grzałkę 3D-VariPhi do utrzymania temperatury akumulatora jest istotna, zależność między mocą grzewczą a temperaturą akumulatora została przedstawiona na rysunku 6.
Cykl ogniwa 18650
Badane ogniwo 18650 było utrzymywane w stałej temperaturze 35°C przez grzałkę 3D-VariPhi. Po zdefiniowanym procesie ładowania (odcięcie 2,5 V), ta bateria litowo-jonowa została naładowana (4,2 V, l-limit 100 mA) przy użyciu tak zwanego procesu ładowania CC/CV (stały prąd/stałe NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.napięcie). Po 120-minutowej przerwie nastąpiło rozładowanie. Te dwa procesy zostały następnie powtórzone raz. Zastosowane prądy ładowania i rozładowania podsumowano w tabeli 1.
Tabela 1: Prądy ładowania i rozładowania
| Ładowanie | Rozładowanie | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Wszyscy użytkownicy wiedzą z własnego doświadczenia, że telefony komórkowe lub laptopy nagrzewają się podczas intensywnej pracy, a także podczas ładowania. W odniesieniu do cyklu ładowania, te zmiany ciepła stanowią straty energii, ponieważ część ciepła uwalnianego w ten sposób nie jest dostępna do rzeczywistego wykorzystania przez jednostkę magazynowania energii. W związku z tym ilości ciepła wykryte przez urządzenie ARC® 254 podczas ładowania i rozładowywania mogą być rejestrowane jako straty pod względem wydajności ładowania. Wyniki dotyczące ciepła reakcji ogniwa 18650 w funkcji różnych szybkości ładowania przedstawiono na rysunkach od 7 do 9. Jeśli zainwestowana moc ładowania lub rozładowania zostanie porównana ze zmierzonym ciepłem reakcji, tj. stratami, sprawność cykli częściowych można określić niezależnie.
Podsumowanie
Urządzenie NETZSCH ARC® 254 zostało użyte do cyklicznego ładowania cylindrycznego akumulatora (18650) w temperaturze 35°C przy różnych szybkościach ładowania (1C, C/2, C/4). Wykryte ciepło reakcji odpowiada stratom termicznym, co pozwala na określenie wydajności cykli ładowania i rozładowania niezależnie od siebie. Gdyby nie było żadnych strat, sprawność wynosiłaby 100%. Straty określone na podstawie ciepła reakcji są podsumowane dla cykli ładowania i rozładowania, ale także dla różnych szybkości ładowania, na rysunku 10. Wyraźnie widać, że w przypadku niskich szybkości ładowania (C/4) straty są niższe, a tym samym wydajność jest wyższa niż w przypadku wyższych szybkości ładowania (1C).