Akü Durumunun Belirlenmesi
Bir enerji depolama ünitesinin kullanımı söz konusu olduğunda, mevcut "doluluk seviyesi" her zaman ilgi çekicidir - ister bir cep telefonunun veya dizüstü bilgisayarın kalan çalışma süresini değerlendirmek için olsun, ister elektrikli bir aracın menzili ile ilgili olsun. Şarj süresi bir cep telefonu veya dizüstü bilgisayar için oldukça küçük bir rol oynasa da, elektromobilite bağlamında özel bir öneme sahip olabilir.
Bir enerji depolama ünitesinin mevcut durumunu iyi tanımlamak ilk bakışta göründüğünden daha zor olabilir. Bir akümülatörün mevcut durumunun iyi bir örneği varil modelidir [1]. Bu model, madeni para hücrelerinin çevrimiyle bağlantılı olarak daha önce ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır [2]. Aşağıda, 18650 hücrelerin, yani madeni para hücrelerinden önemli ölçüde larger pillerin şarj ve deşarjı sırasında ısı gelişimi incelenecektir.
NETZSCH ARC® 254
NETZSCH Hızlandırıcı Hız Kalorimetrisi (ARC)Termal olarak ekzotermik ayrışma reaksiyonlarını tespit etmek için kullanılan izotermal ve adyabatik test prosedürlerini tanımlayan yöntem.ARC® 254 (şekil 1) bir Hızlandırıcı Hız Kalorimetresi olup, genellikle tek tek maddelerin veya reaksiyon karışımlarının Termal kaçakIsıl kaçak, bir kimyasal reaktörün, kimyasal reaksiyonun kendisinden kaynaklanan sıcaklık ve/veya basınç üretimi açısından kontrolden çıkması durumudur. Isıl kaçak simülasyonu genellikle hızlandırılmış hız kalorimetrisine göre bir kalorimetre cihazı kullanılarak gerçekleştirilir (ARC).termal kaçak olarak adlandırılan durumlarını araştırmak için kullanılan bir cihazdır [3]. Ancak pillerin çevrimiyle ilgili olarak Hızlandırıcı Hız Kalorimetrisi (ARC)Termal olarak ekzotermik ayrışma reaksiyonlarını tespit etmek için kullanılan izotermal ve adyabatik test prosedürlerini tanımlayan yöntem.ARC® 254 İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal kalorimetre olarak kullanılacaktır. Bu amaçla, Hızlandırıcı Hız Kalorimetrisi (ARC)Termal olarak ekzotermik ayrışma reaksiyonlarını tespit etmek için kullanılan izotermal ve adyabatik test prosedürlerini tanımlayan yöntem.ARC® 254'ün kurulumu özel bir şekilde kullanılabilir. Yukarıda bahsedilen güvenlik incelemeleri için, Hızlandırıcı Hız Kalorimetrisi (ARC)Termal olarak ekzotermik ayrışma reaksiyonlarını tespit etmek için kullanılan izotermal ve adyabatik test prosedürlerini tanımlayan yöntem.ARC® 254'teki gerçek kalorimetre odası çeşitli bağımsız ısıtıcılarla çevrilidir. Akümülatörlerin İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal incelemesi için, bunlar kalorimetre içindeki başka bir ısıtıcı tarafından çevrelenir, böylece akünün sıcaklığı kalorimetreden bağımsız olarak kontrol edilebilir.
18650 Hücreler
18650 olarak adlandırılan hücreler, 18 mm çapında ve 65,0 mm yüksekliğinde silindirik bir metal muhafaza içinde standart endüstri hücreleridir (şekil 2).
Pil, silindirik hücreyi çevreleyen bir ısıtıcının içine yerleştirilir (şekil 3) ve kalorimetrenin ölçüm odasına monte edilir.
Batarya, şarj ve deşarj için akım ve voltaj uygulamak amacıyla basit bir konektör fişi aracılığıyla harici çevrim ünitesine (şekil 4) bağlanır.
Şarj ve deşarj sırasında bataryaların termal dengelerini belirlemeye yönelik ilgi, güncel bir konu olmakla birlikte tamamen yeni değildir. Aşağıda açıklanan NETZSCH ARC® 254 adresindeki kurulum literatürdeki şablonlardan farklı olsa da, temel yaklaşım 1982 yılında Hansen ve arkadaşları tarafından açıklananla aynıdır [4].
3D-VariPhi Isıtıcı
Daha önce de belirtildiği gibi, silindirik batarya doğrudan 3D-VariPhi ısıtıcı (şekil 5'te 5) ile çevrilidir. Bataryayı sabit bir sıcaklıkta tutmak için belirli bir miktarda ısı sağlaması gerekir ve bu nedenle belirli bir miktarda güç gerektirir. Gereken güç, en önemlisi ortam sıcaklığı olmak üzere bir dizi faktöre bağlıdır.
Yeterince uzun bir kontrol sistemi oluşturmak için kalorimetrenin diğer ısıtıcıları (şekil 5'te 2, 6, 9 ve 10) sabit bir düşük sıcaklığa ayarlanır. Bataryadaki şarj ve deşarj sırasındaki enerjik süreçler hücrenin sıcaklığını değiştirecek olursa, 3D-VariPhi ısıtıcının (5) güç kaynağı anında tepki verebilecek ve böylece bataryada sabit bir sıcaklık sağlayacaktır. 3D-VariPhi ısıtıcının ( 5 ) kaydedilen çıkışından, döngüler sırasında batarya tarafından emilen veya salınan ısıyı doğrudan belirlemek mümkündür.
Bataryanın sıcaklığını korumak için 3D-VariPhi ısıtıcının ihtiyaç duyduğu güç önemli olduğundan, ısıtma gücü ile batarya sıcaklığı arasındaki ilişki şekil 6'da kaydedilmiştir.
18650 Hücrenin Döngüsü
İncelenecek 18650 hücre, 3D-VariPhi ısıtıcı tarafından 35°C'lik sabit bir sıcaklıkta tutulmuştur. Tanımlanmış bir şarj işleminden sonra (kesme 2,5 V), bu lityum iyon pil CC/CV şarj işlemi (sabit akım/sabit voltaj) kullanılarak şarj edildi (4,2 V, l-limit 100 mA). 120 dakikalık bir aranın ardından deşarj işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu iki işlem daha sonra bir kez tekrarlanmıştır. Kullanılan şarj ve deşarj akımları tablo 1'de özetlenmiştir.
Tablo 1: Şarj ve deşarj akımları
| Şarj etme | Boşaltma | |
| 1C | 1500 mA | 1500 mA |
| C/2 | 750 mA | 750 mA |
| C/4 | 375 mA | 375 mA |
Kullanıcıların hepsi kendi deneyimlerinden cep telefonlarının veya dizüstü bilgisayarların yoğun çalışma sırasında ve aynı şekilde şarj sırasında ısındığını bilir. Şarj döngüsü açısından, bu ısı gelişmeleri enerji kayıplarını temsil eder, çünkü bu şekilde açığa çıkan ısının bir kısmı enerji depolama birimi tarafından gerçek kullanım için mevcut değildir. Sonuç olarak, şarj ve deşarj sırasında ARC® 254 tarafından tespit edilen ısı miktarları şarj verimliliği açısından kayıp olarak kaydedilebilir. Farklı şarj oranlarının bir fonksiyonu olarak 18650 hücresinin reaksiyon ısısına ilişkin sonuçlar şekil 7 ila 9'da gösterilmektedir. Yatırılan şarj veya deşarj gücü, ölçülen reaksiyon ısıları, yani kayıplar ile karşılaştırılırsa, kısmi döngülerin verimliliği bağımsız olarak belirlenebilir.
Özet
NETZSCH ARC® 254, silindirik bir pili (18650) 35°C'de farklı şarj oranlarında (1C, C/2, C/4) döngüye sokmak için kullanılmıştır. Tespit edilen reaksiyon ısıları, şarj ve deşarj döngülerinin verimliliğinin birbirinden bağımsız olarak belirlenmesini sağlayan termal kayıplara karşılık gelmektedir. Eğer hiç kayıp olmasaydı, verimlilik %100 olurdu. Reaksiyon ısılarından belirlenen kayıplar, şarj ve deşarj döngülerinin yanı sıra farklı şarj oranları için de Şekil 10'da özetlenmiştir. Düşük şarj oranları (C/4) için kayıpların daha düşük olduğu ve dolayısıyla verimliliğin daha yüksek şarj oranlarına (1C) göre daha yüksek olduğu açıktır.