Введение
Многомодульный калориметр NETZSCH (Многомодульный калориметр (MMC)Многорежимный калориметрический прибор, состоящий из базового блока и сменных модулей. Один модуль подготовлен для ускоренной калориметрии (ARC), ARC-Module. Второй используется для сканирующих тестов (Scanning Module), а третий связан с тестированием батарей для монетных элементов (Coin Cell Module).MMC) 274 Nexus® (рис. 1) предлагает три различных измерительных модуля. Модуль Ускоренная калориметрия (ARC)Метод, описывающий изотермические и адиабатические процедуры испытаний, используемые для обнаружения термически экзотермических реакций разложения.ARC® может использоваться для так называемых испытаний Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search это режим измерения, используемый в калориметрических приборах по методу ускоренной калориметрии (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search это режим измерения, используемый в калориметрических приборах по методу ускоренной калориметрии (ARC).HWS) или испытаний на тепловой выбег [1][2]; сканирующий модуль подходит для таких задач, как оценка эндотермических или экзотермических фазовых переходов, а также для скрининга термической опасности [3][4]; а модуль Coin Cell специализирован для исследования батарей [5]. К модулю Coin Cell через разъем LEMO можно легко подключить внешнее устройство для циклирования батарей. Сигналы напряжения и тока могут быть переданы в программу оценки NETZSCH Proteus® . Результирующий сигнал мощности определяется автоматически и может быть независимо оценен для зарядки и разрядки. Определив потери тепла во время зарядки и разрядки, можно оценить эффективность циклического использования батареи. Для этого в двойном держателе образцов предусмотрена дифференциальная установка, подобная DSC (рис. 2).
Поскольку большинство неразрушающих изотермических исследований зарядки и разрядки батарей проводятся в очень small температурном диапазоне, близком к температуре окружающей среды, необходимо, чтобы калориметр былlibraсоответствующим образом настроен. Для определения температуры и чувствительности каlibraлориметра в качестве эталонных материалов обычно используются металлы [6].
Определение состояния батареи
Когда речь идет об использовании системы хранения энергии, всегда интересен ее текущий "уровень заполнения" - будь то оценка оставшегося времени работы сотового телефона или ноутбука или запас хода электромобиля. Если время зарядки мобильного телефона или ноутбука играет довольно незначительную роль, то в контексте электромобильности оно может иметь особое значение.
Модель тона
Хорошо описать текущее состояние системы хранения энергии может быть сложнее, чем кажется на первый взгляд. Согласно [7], модель "бочка" служит хорошей иллюстрацией, поскольку она отлично справляется с задачей визуального описания наиболее важных факторов влияния в процессе эксплуатации и, в частности, факторов, связанных с процессами старения (рис. 3). В этой модели система хранения энергии сравнивается с дождевой бочкой, где уровень жидкости в бочке представляет собой текущее состояние заряда. Общий объем в новом состоянии соответствует максимальной емкости в 100 %. В нижней части бочки находится выход для "разрядки", а в верхней - вход для "зарядки". Ограниченные диаметры входного и выходного отверстий свидетельствуют о том, что существует предел скорости, с которой бочки могут заряжаться или разряжаться. Это ограничение соответствует внутреннему сопротивлению аккумулятора. Даже когда вход и выход закрыты, бочка со временем теряет жидкость, поскольку имеет отверстия small и поэтому не является идеально герметичной. Эти потери представляют собой саморазряд аккумулятора. Старение аккумулятора характеризуется образованием "камней". Они уменьшают полезный объем бочки и, соответственно, емкость системы накопления энергии. Кроме того, со временем бочка ржавеет, увеличивая количество отверстий small и, соответственно, потери от "саморазряда".
С помощью этой модели, представленной на рисунке 3, можно описать наиболее важные процессы в работе аккумулятора. Текущее состояние системы хранения энергии также называют "состоянием здоровья".
Потери при зарядке и разрядке
Независимо от состояния батареи, во время каждого процесса зарядки и разрядки происходят энергетические потери. Все мы знаем по собственному опыту, что мобильные телефоны или ноутбуки нагреваются во время интенсивной работы, а также во время зарядки. Эти тепловые процессы представляют собой энергетические потери, поскольку количество тепла, выделяемое таким образом, не может быть использовано в системе хранения энергии.
С помощью датчика в модуле монетных ячеек Многомодульный калориметр (MMC)Многорежимный калориметрический прибор, состоящий из базового блока и сменных модулей. Один модуль подготовлен для ускоренной калориметрии (ARC), ARC-Module. Второй используется для сканирующих тестов (Scanning Module), а третий связан с тестированием батарей для монетных элементов (Coin Cell Module).MMC (рисунок 2) эти потери тепла можно обнаружить и оценить количественно.
Управление циклами зарядки и разрядки
Литий-ионные батареи очень чувствительны к перезарядке, поскольку это может легко привести к разложению электролита. Поэтому распространенные методы зарядки обычно ограничивают максимальное напряжение заряда до 4,2 В [7]. Также в данной работе циклы зарядки и разрядки литий-ионного элемента (LiR 2032) были ограничены с помощью напряжения отсечки 4,2 В для зарядки и 2,5 В для разрядки. В результате получился цикл, показанный в качестве примера на рисунке 4. После цикла предварительного заряда (здесь не показан) монетный элемент заряжается при 25°C постоянным током 45 мА до напряжения отсечки 4,2 В 1 . В последующей фазе релаксации 2 монетный элемент и датчик возвращаются к тепловому равновесию. Фаза дихаризации 3 ограничена напряжением отсечки 2,5 В, и за ней снова следует фаза релаксации 4.
Сигналы тока и напряжения передаются с циклического устройства в программу оценки NETZSCH Proteus® , где автоматически рассчитывается сигнал мощности. Для определения потерь во время зарядки и разрядки, таким образом, можно независимо определить затраченную мощность и выделенное тепло для каждого частичного цикла. Таким образом, можно указать, какая часть вложенной энергии была выделена в виде тепла.
На рисунке 5 показано, как оценка площади сигнала теплового потока в процессе зарядки автоматически рассчитывает затраченную энергию (здесь 411,6 Дж) и соотносит ее с измеренным сигналом теплового потока (здесь 11,12 Дж). В результате КПД составляет 97,3 %. При последующей разрядке КПД составляет всего 89,9 % из-за значительно большего выделения тепла.
Различные скорости зарядки и разрядки
Если проводить циклы зарядки и разрядки с разной скоростью в соответствии с вышеупомянутыми критериями отключения, то можно увидеть, что энергия, поглощаемая системой хранения энергии, а значит, и количество энергии, доступное при разрядке, очень сильно зависит от соответствующей скорости (рис. 6). Если идентичный элемент (LiR 2032) заряжается при 45 мА (C/1), поглощается 415 Дж, тогда как при скорости заряда C/8 (5,6 мА) поглощается почти 550 Дж.
Температура, при которой происходит циклическая зарядка аккумулятора, также влияет на количество поглощенной энергии и эффективность зарядки и разрядки. На рисунке 7 показана поглощенная энергия в циклах зарядки при различных температурах.
Резюме
Модуль MMC Coin Cell Module 274 Nexus® был использован для исследования перезаряжаемого элемента LiR 2032 при различных температурах и различных скоростях зарядки с учетом возникающего при этом тепла. Для циклов зарядки использовалось верхнее и нижнее напряжение отсечки 4,2 В и 2,5 В. Мощность, передаваемая аккумулятору циклическим устройством во время зарядки, может быть определена по сигналам тока и напряжения циклического устройства. Тепло, выделяемое во время этого процесса, непосредственно измеряется датчиком модуля монетных ячеек. Соотношение мощности, передаваемой аккумулятору, и количества выделяемого тепла позволяет независимо определить эффективность процессов зарядки и разрядки. Было показано, что как поглощенная мощность, так и соответствующая эффективность зарядки и разрядки сильно зависят от скорости зарядки и температуры.