Сравнение изотермического калориметра и адиабатического калориметра батареи для измерения тепловыделения при заряде/разряде литиевой батареи

Обзор – Изотермический калориметр 

Использование изотермического калориметра батареи и адиабатических калориметров большой батареи, таких как производимые Zeal Instruments, дает ценные сведения о поведении генерации тепла батареи. Благодаря тщательному экспериментированию и анализу результатов исследователи могут улучшить наше понимание тепловых характеристик литий-ионных батарей и разработать эффективные стратегии для управления температурой. Поскольку технология батарей продолжает развиваться, эти сведения будут иметь решающее значение для обеспечения безопасности, надежности и производительности литий-ионных батарей в различных приложениях.

Введение

Точное измерение тепловыделения батареи дает ценную информацию для проектирования терморегулирования. Данные о тепловыделении помогают инженерам оптимизировать системы охлаждения для предотвращения перегрева, который может ухудшить производительность батареи и даже привести к таким опасностям, как тепловой пробой. Поэтому точные измерения тепловыделения в различных рабочих условиях имеют важное значение для разработки эффективных стратегий терморегулирования.

Два основных прибора, используемых для измерения тепловыделения батареи, — это изотермические калориметры и адиабатические ускоряющие калориметры. Эти приборы позволяют исследователям изучать тепловыделение в батареях в контролируемых условиях.

Изотермический калориметр поддерживает постоянную температуру в течение всего испытания батареи. Это позволяет исследователям точно измерять тепло, вырабатываемое батареей, без влияния колебаний температуры на результаты. Испытывая батареи при разных температурах, исследователи могут оценить, как колебания температуры влияют на выработку тепла и, следовательно, на производительность батареи.

Адиабатический ускоряющий калориметр имитирует экстремальные условия, предотвращая теплообмен с окружающей средой (адиабатические условия). Это позволяет исследователям изучать максимальный потенциал генерации тепла аккумуляторов и оценивать риски, связанные с тепловым разгоном в худших сценариях. Понимание максимальной способности генерации тепла аккумуляторов имеет решающее значение для проектирования механизмов безопасности для предотвращения катастрофических отказов.

Рис. 1 Принцип обнаружения (а) изотермического калориметра и (б) адиабатического ускоренного калориметра

Экспериментальная установка

Подготовка образцов

Для исследования использовались аккумуляторы 18650 (NCM, 2000 мАч) и призматические аккумуляторы (LFP, 50 Ач). Эти аккумуляторы представляют собой распространенные типы, встречающиеся в различных приложениях. Кроме того, для обеспечения равномерного распределения тепла во время экспериментов использовались алюминиевые блоки.

Условия эксперимента

В адиабатическом ускоряющем калориметре начальная температура была установлена ​​на уровне 30°C для имитации реалистичных условий эксплуатации. Напротив, испытания изотермического калориметра проводились при температурах 30°C и 50°C для оценки влияния температуры на тепловыделение.

Результаты

Режим заряда и разряда аккумулятора

Рис. 2 Результаты измерения удельной теплоемкости элемента

Результаты тепловыделения для аккумуляторов 18650

Рис. 3 Сравнение результатов измерения мощности тепловыделения ячеек 18650 при кратности 0,5С (а, б) и 1С (в, г) при заряде (а, в) и разряде ячейки (б, г)

Сравнительный анализ измерений мощности теплогенерации при темпах 0,5°С и 1°С выявил закономерности между изотермическим и адиабатическим методами.

Несмотря на небольшие расхождения, оба метода дали ценную информацию о поведении генерации тепла аккумуляторами 18650. Однако изотермический калориметр продемонстрировал небольшое отставание в измерении теплового потока, что объясняется сложными процедурами обработки образцов.

Результаты измерений тепловыделения при зарядке и разрядке при начальной температуре 30°C показаны в таблице 1, а изотермическое калориметрическое значение выше адиабатического при четырех рабочих шагах. адиабатическое повышение температуры батареи при 0,5°C и 1°C составляет около 15°C и 30°C соответственно, а повышение температуры способствует снижению внутреннего сопротивления поляризации батареи и уменьшению тепловыделения батареи в этом диапазоне. Из рис. 3 также можно увидеть, что кривые мощности, определенные адиабатическим методом, находятся между изотермическими калориметрическими кривыми, определенными при двух температурных условиях 30°C и 50°C.

Таблица 1 Статистика тепловыделения при заряде/разряде аккумулятора 18650

Результаты тепловыделения для призматических батарей Рис. 4 Сравнение измерений мощности тепловыделения квадратной батареи во время (a) зарядки и (b) разрядки при скорости умножения 0,33C

Таблица 2 Сравнение изотермических и адиабатических измерений теплопродукции при скорости размножения 0,33С

Исследование также изучало тепловыделение во время процессов заряда и разряда призматических батарей, сосредоточившись на более низкой скорости заряда 0,33C. Результаты показали более высокое тепловыделение, измеренное адиабатическим методом, особенно в случаях, когда на начальных этапах зарядки наблюдались выраженные эндотермические характеристики. Это говорит о том, что адиабатический метод может предложить более точную оценку тепловыделения в определенных условиях.

Заключение

Оба калориметра, изотермический и адиабатический, оказались эффективными при измерении тепловыделения батареи. Однако наблюдались различия из-за различий в методах контроля температуры. Адиабатический метод обычно давал более низкие результаты тепловыделения по сравнению с изотермическим методом, когда температура батареи оставалась в пределах нормального рабочего диапазона.

Хотя адиабатический метод обычно обеспечивает надежные результаты, он может давать более высокие измерения тепловыделения в условиях низкоскоростной зарядки со значительными эндотермическими характеристиками. Инженеры и исследователи должны учитывать эти различия при выборе подходящего метода тестирования на основе конкретных требований их исследований или приложений.

Ссылка

[1] Нобору Сато. [J]. Анализ термического поведения литий-ионных аккумуляторов для электромобилей и гибридных транспортных средств. Журнал источников питания, 99 (2001):70-77.