Kaip nuskaityti akumuliatoriaus išsikrovimo kreivę

Kaip nuskaityti akumuliatoriaus išsikrovimo kreivę

Baterijos yra sudėtingos elektrocheminės ir termodinaminės sistemos, kurių veikimui įtakos turi daugybė veiksnių. Žinoma, akumuliatoriaus chemija yra svarbiausias veiksnys. Tačiau norint suprasti, kokio tipo akumuliatorius yra tinkamiausias konkrečiam pritaikymui, taip pat būtina atsižvelgti į tokius veiksnius kaip įkrovimo iškrovimo greitis, veikimo temperatūra, laikymo sąlygos ir fizinės struktūros detalės. Pirmiausia reikia apibrėžti keletą terminų:

★ Atviros grandinės įtampa (Voc) – tai įtampa tarp akumuliatoriaus gnybtų, kai akumuliatorius neapkraunamas.

★ Gnybtų įtampa (Vt) – įtampa tarp akumuliatoriaus gnybtų, kai akumuliatorius veikia apkrovą; Paprastai mažesnis nei Voc.

Atjungimo įtampa (Vco) yra įtampa, kuriai esant akumuliatorius visiškai išsikrovęs, kaip nurodyta. Nors paprastai yra likusios baterijos energijos, veikimas esant žemesnei nei Vco įtampai gali sugadinti akumuliatorių.

★ Talpa matuoja bendrą amperų valandų skaičių (AH), kurį baterija gali užtikrinti visiškai įkrauta, kol Vt pasieks Vco.

Įkrovimo iškrovimo greitis (C-rate) yra greitis, kuriuo akumuliatorius įkraunamas arba iškraunamas, palyginti su jo vardine talpa. Pavyzdžiui, 1C greitis visiškai įkraus arba iškraus akumuliatorių per 1 valandą. Esant 0,5C išsikrovimo greičiui, baterija visiškai išsikraus per 2 valandas. Naudojant didesnį C koeficientą, paprastai sumažėja akumuliatoriaus talpa ir gali būti sugadintas akumuliatorius.

★ Akumuliatoriaus įkrovimo būsena (SoC) nurodo likusią akumuliatoriaus talpą procentais nuo didžiausios talpos. Kai SoC pasiekia nulį, o Vt pasiekia Vco, akumuliatoriuje vis tiek gali būti likusios baterijos energijos, tačiau nepažeidžiant akumuliatoriaus ir neturint įtakos būsimai talpai, akumuliatoriaus negalima toliau iškrauti.

★ Iškrovimo gylis (DoD) yra SoC papildymas, kuris matuoja išsikrovusio akumuliatoriaus talpos procentą; DoD=100- SoC.

① Ciklo trukmė yra galimų ciklų skaičius, kol baigiasi akumuliatoriaus tarnavimo laikas.

Baterijos veikimo laikas (EoL) reiškia, kad akumuliatorius negali veikti pagal iš anksto nustatytas minimalias specifikacijas. EoL galima kiekybiškai įvertinti įvairiais būdais:

① Talpos mažėjimas pagrįstas nurodytu procentiniu akumuliatoriaus talpos sumažėjimu, palyginti su vardine talpa nurodytomis sąlygomis.

② Galios susilpnėjimas pagrįstas maksimalia akumuliatoriaus galia tam tikru procentu, palyginti su vardine galia nurodytomis sąlygomis.

③ Energijos pralaidumas parodo bendrą energijos kiekį, kurį akumuliatorius turėtų apdoroti per savo eksploatavimo laiką, pvz., 30 MWh, atsižvelgiant į konkrečias veikimo sąlygas.

★ Akumuliatoriaus sveikatos būklė (SoH) matuoja, kiek procentų likęs naudingo tarnavimo laikas iki EoL.

Poliarizacijos kreivė

Akumuliatoriaus išsikrovimo kreivė formuojama pagal akumuliatoriaus poliarizacijos efektą, atsirandantį išsikrovimo proceso metu. Energijos kiekis, kurį akumuliatorius gali tiekti esant skirtingoms veikimo sąlygoms, pvz., C greičiui ir darbinei temperatūrai, yra glaudžiai susijęs su plotu po iškrovimo kreive. Iškrovimo proceso metu akumuliatoriaus Vt sumažės. Vt sumažėjimas yra susijęs su keliais pagrindiniais veiksniais:

✔ IR kritimas – akumuliatoriaus įtampos sumažėjimas, kurį sukelia srovė, einanti per vidinę akumuliatoriaus varžą. Šis koeficientas tiesiškai didėja esant santykinai dideliam iškrovimo greičiui, esant pastoviai temperatūrai.

✔ Aktyvinimo poliarizacija – tai įvairūs lėtėjimo faktoriai, susiję su elektrocheminių reakcijų kinetika, pavyzdžiui, darbo funkcija, kurią jonai turi įveikti elektrodų ir elektrolitų sandūroje.

✔ Koncentracijos poliarizacija – šis veiksnys atsižvelgia į pasipriešinimą, su kuriuo susiduria jonai perduodant masę (difuziją) iš vieno elektrodo į kitą. Šis veiksnys dominuoja, kai ličio jonų akumuliatoriai yra visiškai išsikrovę, o kreivės nuolydis tampa labai staigus.

Akumuliatoriaus poliarizacijos kreivė (iškrovimo kreivė) rodo suminį IR sumažėjimo, aktyvacijos poliarizacijos ir koncentracijos poliarizacijos poveikį Vt (baterijos potencialui). (Nuotrauka: BioLogic)

Iškrovos kreivės svarstymai

Baterijos buvo sukurtos įvairioms reikmėms ir pasižymi įvairiomis veikimo charakteristikomis. Pavyzdžiui, yra mažiausiai šešios pagrindinės ličio jonų cheminės sistemos, kurių kiekviena turi savo unikalių funkcijų rinkinį. Iškrovos kreivė paprastai brėžiama su Vt Y ašyje, o SoC (arba DoD) – ant X ašies. Dėl koreliacijos tarp akumuliatoriaus veikimo ir įvairių parametrų, tokių kaip C greitis ir darbinė temperatūra, kiekviena akumuliatoriaus cheminė sistema turi iškrovimo kreivių seriją, pagrįstą konkrečiomis veikimo parametrų kombinacijomis. Pavyzdžiui, toliau pateiktame paveikslėlyje palyginamos dviejų įprastų ličio jonų cheminių sistemų ir švino rūgšties akumuliatorių iškrovos našumas kambario temperatūroje ir 0,2 C iškrovos greičiu. Iškrovos kreivės forma yra labai svarbi dizaineriams.

Plokščia iškrovimo kreivė gali supaprastinti tam tikras pritaikymo konstrukcijas, nes akumuliatoriaus įtampa išlieka gana stabili per visą iškrovimo ciklą. Kita vertus, nuolydžio kreivė gali supaprastinti likutinio įkrovimo įvertinimą, nes akumuliatoriaus įtampa yra glaudžiai susijusi su likutiniu akumuliatoriaus įkrovimu. Tačiau ličio jonų akumuliatoriams su plokščiomis iškrovos kreivėmis norint įvertinti likutinį įkrovimą reikia sudėtingesnių metodų, pvz., Kulono skaičiavimo, kuris matuoja akumuliatoriaus iškrovos srovę ir integruoja srovę laikui bėgant, kad būtų įvertintas liekamasis įkrovimas.

Be to, akumuliatorių, kurių iškrovimo kreivės yra žemyn, galia mažėja per visą iškrovimo ciklą. Iškrovos ciklo pabaigoje gali prireikti „per didelio dydžio“ akumuliatoriaus, kad būtų galima palaikyti didelės galios programas. Paprastai reikia naudoti įtampos reguliatorių jautriems prietaisams ir sistemoms, naudojančioms baterijas su stačiomis iškrovos kreivėmis, maitinti.

Toliau pateikiama ličio jonų akumuliatoriaus iškrovimo kreivė, kuri rodo, kad jei akumuliatorius išsikrauna labai dideliu greičiu (arba atvirkščiai, mažu greičiu), efektyvi talpa sumažės (arba padidės). Tai vadinama talpos poslinkiu, ir šis poveikis būdingas daugumoje akumuliatorių cheminių sistemų.

Ličio jonų akumuliatorių įtampa ir talpa mažėja didėjant C greičiui. (Nuotrauka: Richtek)

Darbinė temperatūra yra svarbus parametras, turintis įtakos akumuliatoriaus veikimui. Esant labai žemai temperatūrai, akumuliatoriai su vandens pagrindu pagamintais elektrolitais gali užšalti ir apriboti apatinę jų darbinės temperatūros diapazono ribą. Ličio jonų baterijos gali patirti neigiamą ličio elektrodų nusėdimą žemoje temperatūroje, todėl visam laikui sumažėja talpa. Esant aukštai temperatūrai, cheminės medžiagos gali suirti ir baterija gali nustoti veikti. Nuo užšalimo iki cheminių pažeidimų akumuliatoriaus veikimas paprastai labai skiriasi priklausomai nuo temperatūros pokyčių.

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta skirtingų temperatūrų įtaka ličio jonų akumuliatorių veikimui. Esant labai žemai temperatūrai, našumas gali žymiai sumažėti. Tačiau akumuliatoriaus išsikrovimo kreivė yra tik vienas akumuliatoriaus veikimo aspektų. Pavyzdžiui, kuo didesnis nuokrypis tarp ličio jonų baterijų darbinės temperatūros ir kambario temperatūros (esant aukštai ar žemai), tuo trumpesnis ciklas. Konkrečių programų atveju išsami visų veiksnių, turinčių įtakos įvairių akumuliatorių cheminių sistemų pritaikymui, analizė nepatenka į šio straipsnio akumuliatoriaus išsikrovimo kreivę. Kitų skirtingų baterijų veikimo analizės metodų pavyzdys yra Lagone diagrama.

Akumuliatoriaus įtampa ir talpa priklauso nuo temperatūros. (Nuotrauka: Richtek)

Lagonos sklypai

Lagūna diagrama palygina skirtingų energijos kaupimo technologijų specifinę galią ir specifinę energiją. Pavyzdžiui, kalbant apie elektromobilių akumuliatorius, specifinė energija yra susijusi su nuotoliu, o specifinė galia – su pagreičio charakteristikomis.

Ragone diagrama, lyginanti įvairių technologijų specifinės energijos ir specifinės galios ryšį. (Nuotrauka: Researchgate)

Lagūnos diagrama pagrįsta masės energijos tankiu ir galios tankiu ir neapima jokios informacijos, susijusios su tūrio parametrais. Nors metalurgas Davidas V. Lagone'as šias diagramas sukūrė siekdamas palyginti įvairių baterijų chemijos charakteristikas, Lagone diagrama taip pat tinka lyginti bet kokį energijos kaupimo ir energijos įrenginių rinkinį, pavyzdžiui, variklius, dujų turbinas ir kuro elementus.

Konkrečios energijos Y ašyje ir specifinės galios X ašyje santykis yra valandų, kurias įrenginys veikia vardine galia, skaičius. Įrenginio dydis neturi įtakos šiam ryšiui, nes didesni įrenginiai turės proporcingai didesnę galią ir energijos talpą. Izochroninė kreivė, vaizduojanti pastovų veikimo laiką lagūnos diagramoje, yra tiesi linija.

Santrauka

Svarbu suprasti akumuliatoriaus iškrovos kreivę ir įvairius parametrus, sudarančius iškrovos kreivės šeimą, susijusią su konkrečia akumuliatoriaus chemija. Dėl sudėtingų elektrocheminių ir termodinaminių sistemų akumuliatorių išsikrovimo kreivės taip pat yra sudėtingos, tačiau tai tik būdas suprasti įvairių akumuliatorių chemijos ir struktūrų veikimo kompromisus.