Bestämning av batteriets tillstånd
När det gäller användning av en energilagringsenhet är dess aktuella "fyllnadsnivå" alltid av intresse - oavsett om det gäller att utvärdera den återstående körtiden för en mobiltelefon eller en bärbar dator, eller med hänsyn till räckvidden för ett elfordon. Även om laddningstiden kan spela en ganska liten roll för en mobiltelefon eller en bärbar dator, kan den vara särskilt viktig i samband med elektromobilitet.
Att beskriva en energilagringsenhets nuvarande tillstånd på ett bra sätt kan vara svårare än vad det först verkar. En bra illustration av det aktuella tillståndet för en ackumulator är fatmodellen [1]. Denna modell har redan beskrivits i detalj i samband med cyklingen av myntceller [2]. I det följande kommer värmeutvecklingen under laddning och urladdning av 18650-celler, dvs. betydligt större batterier än myntceller, att undersökas.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 (bild 1) är en Accelerating Rate Calorimeter, ett instrument som vanligtvis används för att undersöka så kallad thermal runaway hos enskilda ämnen eller reaktionsblandningar [3]. När det gäller battericykling ska Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 dock användas som en IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk kalorimeter. För detta ändamål kan uppställningen på Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 användas på ett speciellt sätt. För de ovan nämnda säkerhetsundersökningarna omges den faktiska kalorimeterkammaren i Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 av olika oberoende värmare. För isotermiska undersökningar av ackumulatorer omges dessa av en annan värmare i kalorimetern, så att batteriets temperatur kan styras oberoende av kalorimetern.
18650 celler
Så kallade 18650-celler är standardceller från industrin i ett cylindriskt metallhölje med en diameter på 18 mm och en höjd på 65,0 mm (bild 2).
Batteriet placeras i en värmare som omger den cylindriska cellen (bild 3) och installeras i kalorimeterns mätkammare.
Batteriet är anslutet till den externa cykelenheten (figur 4) via en enkel kontakt för att tillföra ström och spänning för laddning och urladdning.
Intresset för att bestämma batteriers värmebalans under laddning och urladdning är inte helt nytt, även om det är en högaktuell fråga. Även om uppställningen i NETZSCH Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 som beskrivs nedan skiljer sig från mallarna i litteraturen, är det grundläggande tillvägagångssättet identiskt med det som beskrevs av Hansen et al. 1982 [4].
3D-VariPhi Värmare
Som redan nämnts är det cylindriska batteriet direkt omgivet av 3D-VariPhi värmaren ( 5 i fig. 5). Den måste avge en viss mängd värme för att hålla batteriet vid en konstant temperatur och kräver därför en viss mängd effekt. Hur mycket effekt som krävs beror på ett antal faktorer, inte minst omgivningstemperaturen.
För att skapa ett tillräckligt långt styrsystem ställs kalorimeterns övriga värmare (2, 6, 9 och 10 i figur 5) in på en konstant lägre temperatur. Om de energetiska processerna under laddning och urladdning i batteriet skulle ändra cellens temperatur, skulle strömförsörjningen till 3D-VariPhi värmaren (5) kunna reagera omedelbart och därmed säkerställa en konstant temperatur i batteriet. Från den registrerade utsignalen från 3D-VariPhi värmaren (5) är det i sin tur möjligt att direkt bestämma den värme som absorberats eller avgivits av batteriet under cyklerna.
Eftersom den effekt som krävs av 3D-VariPhi värmaren för att upprätthålla batteriets temperatur är viktig, visas förhållandet mellan värmeeffekten och batteriets temperatur i figur 6.
Cykling av en 18650-cell
Den 18650-cell som skulle undersökas hölls vid en konstant temperatur på 35°C av 3D-VariPhi värmaren. Efter en definierad laddningsprocess (cut-off 2,5 V) laddades detta litiumjonbatteri (4,2 V, l-limit 100 mA) med hjälp av den så kallade CC/CV-laddningsprocessen (konstant ström/konstant spänning). Efter en paus på 120 minuter följde urladdning. Dessa två moment upprepades sedan en gång. De laddnings- och urladdningsströmmar som användes sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Laddnings- och urladdningsströmmar
| Laddning | Urladdning | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Alla användare vet av egen erfarenhet att mobiltelefoner eller bärbara datorer blir varma under intensiv drift och likaså under laddning. När det gäller laddningscykeln utgör denna värmeutveckling energiförluster, eftersom den del av värmen som frigörs på detta sätt inte är tillgänglig för faktisk användning av energilagringsenheten. Följaktligen kan de värmemängder som detekteras av Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 under laddning och urladdning registreras som förluster när det gäller laddningseffektivitet. Resultaten för 18650-cellens reaktionsvärme som funktion av olika laddningshastigheter visas i figurerna 7 till 9. Om den investerade laddnings- eller urladdningseffekten jämförs med de uppmätta reaktionsvärmerna, dvs. förlusterna, kan effektiviteten för de partiella cyklerna bestämmas oberoende av varandra.
Sammanfattning
NETZSCH Kalorimetri med accelererande hastighet (ARC)Metoden beskriver isotermiska och adiabatiska testförfaranden som används för att upptäcka termiskt exoterma nedbrytningsreaktioner.ARC® 254 användes för att cykla ett cylindriskt batteri (18650) vid 35°C med olika laddningshastigheter (1C, C/2, C/4). De detekterade reaktionsvärmerna motsvarar de termiska förlusterna, vilket gör att effektiviteten hos laddnings- och urladdningscyklerna kan bestämmas oberoende av varandra. Om det inte fanns några förluster skulle verkningsgraden vara 100 %. I figur 10 sammanfattas de förluster som bestämts utifrån reaktionsvärmen för laddnings- och urladdningscyklerna, men också för de olika laddningshastigheterna. Det är tydligt att förlusterna är lägre vid låga laddningshastigheter (C/4) och att verkningsgraden därmed är högre än vid högre laddningshastigheter (1C).