Determinarea stării bateriei
Atunci când vine vorba de utilizarea unei unități de stocare a energiei, "nivelul de umplere" actual al acesteia este întotdeauna de interes - fie pentru evaluarea timpului de funcționare rămas al unui telefon mobil sau al unui laptop, fie în ceea ce privește autonomia unui vehicul electric. Deși timpul de încărcare poate juca un rol mai degrabă minor pentru un telefon mobil sau un laptop, acesta poate fi deosebit de important în contextul electromobilității.
Descrierea corectă a stării actuale a unei unități de stocare a energiei poate fi mai dificilă decât pare la prima vedere. O bună ilustrare a stării curente a unui acumulator este modelul butoiului [1]. Acest model a fost deja descris în detaliu în legătură cu ciclul celulelor cu monede [2]. În cele ce urmează, va fi analizată dezvoltarea căldurii în timpul încărcării și descărcării celulelor 18650, adică a bateriilor semnificativ mai mari decât cele cu monede.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 (figura 1) este un calorimetru cu rată de accelerare, un instrument care este utilizat de obicei pentru a investiga așa-numitul Runaway termicRunaway-ul termic este situația în care un reactor chimic este scăpat de sub control în ceea ce privește producția de temperatură și/sau presiune cauzată de reacția chimică în sine. Simularea unei scăpări de sub control termic se realizează, de obicei, cu ajutorul unui dispozitiv calorimetric conform metodei calorimetriei accelerate (ARC®).runaway termic al substanțelor individuale sau al amestecurilor de reacții [3]. Cu toate acestea, în ceea ce privește ciclurile bateriilor, Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 urmează să fie utilizat ca calorimetru izoterm. În acest scop, instalația Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 poate fi utilizată într-un mod special. Pentru investigațiile de siguranță menționate mai sus, camera calorimetrului real din Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 este înconjurată de diverse încălzitoare independente. Pentru examinarea izotermă a acumulatorilor, aceștia sunt înconjurați de un alt încălzitor în calorimetru, astfel încât temperatura acumulatorului poate fi controlată independent de calorimetru.
celule 18650
Așa-numitele baterii 18650 sunt baterii industriale standard într-o carcasă metalică cilindrică cu un diametru de 18 mm și o înălțime de 65,0 mm (figura 2).
Bateria este plasată într-un încălzitor care înconjoară celula cilindrică (figura 3) și este instalată în camera de măsurare a calorimetrului.
Bateria este conectată la unitatea de ciclism externă (figura 4) prin intermediul unui conector simplu pentru a aplica curent și tensiune pentru încărcare și descărcare.
Interesul pentru determinarea echilibrului termic al bateriilor în timpul încărcării și descărcării, deși este o problemă actuală de vârf, nu este complet nou. Deși configurația din NETZSCH Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 descrisă mai jos diferă de modelele din literatura de specialitate, abordarea de bază este identică cu cea descrisă de Hansen et al. în 1982 [4].
Încălzitorul 3D-VariPhi
După cum s-a indicat deja, bateria cilindrică este înconjurată direct de încălzitorul 3D-VariPhi ( 5 în fig. 5). Acesta trebuie să furnizeze o anumită cantitate de căldură pentru a menține bateria la o temperatură constantă și, prin urmare, necesită o anumită cantitate de energie. Puterea necesară depinde de o serie de factori, dintre care temperatura ambiantă nu este ultimul.
Pentru a crea un sistem de control suficient de lung, celelalte încălzitoare ale calorimetrului (2 , 6 , 9 și 10 în figura 5) sunt setate la o temperatură constantă mai scăzută. În cazul în care procesele energetice din timpul încărcării și descărcării bateriei ar modifica temperatura celulei, sursa de alimentare a încălzitorului 3D-VariPhi (5) ar fi capabilă să reacționeze imediat și să asigure astfel o temperatură constantă în baterie. Din datele de ieșire înregistrate de încălzitorul 3D-VariPhi ( 5 ) se poate determina direct căldura absorbită sau eliberată de baterie în timpul ciclurilor.
Deoarece puterea necesară încălzitorului 3D-VariPhi pentru a menține temperatura bateriei este importantă, relația dintre puterea de încălzire și temperatura bateriei este înregistrată în figura 6.
Ciclismul unei celule 18650
Celula 18650 care urmează să fie investigată a fost menținută la o temperatură constantă de 35°C de încălzitorul 3D-VariPhi. După un proces de încărcare definit (cut-off 2,5 V), această baterie litiu-ion a fost încărcată (4,2 V, l-limită 100 mA) utilizând așa-numitul proces de încărcare CC/CV (curent constant/tensiune constantă). După o pauză de 120 min, a urmat descărcarea. Acestea două au fost apoi repetate o dată. Curenții de încărcare și descărcare utilizați sunt sintetizați în tabelul 1.
Tabelul 1: Curenți de încărcare și descărcare
| Încărcare | Descărcare | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Utilizatorii știu cu toții din proprie experiență că telefoanele mobile sau laptopurile se încălzesc în timpul funcționării intensive și, de asemenea, în timpul încărcării. În ceea ce privește ciclul de încărcare, aceste evoluții termice reprezintă pierderi de energie, deoarece partea de căldură eliberată în acest fel nu este disponibilă pentru utilizarea efectivă de către unitatea de stocare a energiei. În consecință, cantitățile de căldură detectate de Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 în timpul încărcării și descărcării pot fi înregistrate ca pierderi în ceea ce privește eficiența încărcării. Rezultatele pentru căldura de reacție a celulei 18650 în funcție de diferite rate de încărcare sunt prezentate în figurile 7-9. Dacă puterea de încărcare sau de descărcare investită este comparată cu căldurile de reacție măsurate, adică pierderile, eficiența ciclurilor parțiale poate fi determinată independent.
Rezumat
NETZSCH Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC® 254 a fost utilizat pentru ciclarea unei baterii cilindrice (18650) la 35°C, la diferite rate de încărcare (1C, C/2, C/4). Căldurile de reacție detectate corespund pierderilor termice, ceea ce permite determinarea eficienței ciclurilor de încărcare și descărcare independent unul de celălalt. Dacă nu ar exista pierderi, randamentul ar fi de 100 %. Pierderile determinate pe baza căldurilor de reacție sunt rezumate în figura 10 pentru ciclurile de încărcare și de descărcare, dar și pentru diferitele rate de încărcare. Este clar că, pentru rate de încărcare scăzute (C/4), pierderile sunt mai mici și, prin urmare, randamentul este mai mare decât pentru rate de încărcare mai mari (1C).