Ako čítať krivku vybitia batérie

Ako čítať krivku vybitia batérie

Batérie sú komplexné elektrochemické a termodynamické systémy a ich výkon ovplyvňuje viacero faktorov. Najdôležitejším faktorom je samozrejme chémia batérie. Keď však pochopíte, ktorý typ batérie je najvhodnejší pre konkrétnu aplikáciu, je tiež potrebné zvážiť faktory, ako je rýchlosť vybíjania, prevádzková teplota, podmienky skladovania a detaily fyzickej štruktúry. Najprv je potrebné definovať niekoľko pojmov:

★ Napätie naprázdno (Voc) je napätie medzi svorkami batérie, keď batéria nie je zaťažená.

★ Svorkové napätie (Vt) je napätie medzi svorkami batérie pri zaťažení batérie; Zvyčajne nižšie ako Voc.

Medzné napätie (Vco) je napätie, pri ktorom je batéria podľa špecifikácie úplne vybitá. Hoci zvyčajne zostáva energia batérie, prevádzka pri napätí pod Vco môže batériu poškodiť.

★ Kapacita meria celkové ampérhodiny (AH), ktoré môže batéria poskytnúť pri plnom nabití, kým Vt nedosiahne Vco.

Rýchlosť vybíjania (C-Rate) je rýchlosť, ktorou sa batéria nabíja alebo vybíja v pomere k jej menovitej kapacite. Napríklad rýchlosť 1C úplne nabije alebo vybije batériu do 1 hodiny. Pri rýchlosti vybíjania 0,5C sa batéria úplne vybije do 2 hodín. Použitie vyššej C-Rate zvyčajne znižuje dostupnú kapacitu batérie a môže poškodiť batériu.

★ Stav nabitia batérie (SoC) kvantifikuje zostávajúcu kapacitu batérie ako percento maximálnej kapacity. Keď SoC dosiahne nulu a Vt dosiahne Vco, v batérii môže byť stále zostávajúca energia batérie, ale bez poškodenia batérie a ovplyvnenia budúcej kapacity nie je možné batériu ďalej vybíjať.

★ Hĺbka vybitia (DoD) je doplnok SoC, ktorý meria percento vybitej kapacity batérie; DoD = 100- SoC.

① Životnosť cyklu je počet dostupných cyklov, kým batéria dosiahne koniec svojej životnosti.

Koniec životnosti batérie (EoL) označuje neschopnosť batérie fungovať podľa vopred stanovených minimálnych špecifikácií. EoL možno kvantifikovať rôznymi spôsobmi:

① Pokles kapacity je založený na danom percentuálnom znížení kapacity batérie v porovnaní s menovitou kapacitou za špecifikovaných podmienok.

② Útlm výkonu je založený na maximálnom výkone batérie pri danom percente v porovnaní s menovitým výkonom za špecifikovaných podmienok.

③ Priepustnosť energie kvantifikuje celkové množstvo energie, ktoré sa očakáva, že batéria spracuje počas svojej životnosti, napríklad 30 MWh, na základe špecifických prevádzkových podmienok.

★ Zdravotný stav (SoH) batérie meria percento životnosti zostávajúcej pred dosiahnutím EoL.

Polarizačná krivka

Krivka vybíjania batérie je vytvorená na základe polarizačného efektu batérie, ku ktorému dochádza počas procesu vybíjania. Množstvo energie, ktoré môže batéria poskytnúť pri rôznych prevádzkových podmienkach, ako je C-rate a prevádzková teplota, úzko súvisí s plochou pod krivkou vybíjania. Počas procesu vybíjania sa Vt batérie zníži. Pokles Vt súvisí s niekoľkými hlavnými faktormi:

✔ IR pokles - Zníženie napätia batérie spôsobené prúdom prechádzajúcim vnútorným odporom batérie. Tento faktor sa lineárne zvyšuje pri relatívne vysokej rýchlosti vybíjania s konštantnou teplotou.

✔ Aktivačná polarizácia – označuje rôzne faktory spomalenia súvisiace s kinetikou elektrochemických reakcií, ako je napríklad pracovná funkcia, ktorú musia ióny prekonať na križovatke medzi elektródami a elektrolytmi.

✔ Koncentračná polarizácia - Tento faktor zohľadňuje odpor, ktorému čelia ióny počas prenosu hmoty (difúzie) z jednej elektródy na druhú. Tento faktor dominuje, keď sú lítium-iónové batérie úplne vybité a sklon krivky je veľmi strmý.

Polarizačná krivka (krivka vybíjania) batérie ukazuje kumulatívne účinky poklesu IR, aktivačnej polarizácie a koncentračnej polarizácie na Vt (potenciál batérie). (Obrázok: BioLogic)

Úvahy o krivke vybíjania

Batérie boli navrhnuté pre širokú škálu aplikácií a poskytujú rôzne výkonové charakteristiky. Napríklad existuje najmenej šesť základných lítium-iónových chemických systémov, z ktorých každý má svoj vlastný jedinečný súbor funkcií. Krivka výboja je zvyčajne vynesená s Vt na osi Y, zatiaľ čo SoC (alebo DoD) je vynesená na osi X. Kvôli korelácii medzi výkonom batérie a rôznymi parametrami, ako je C-rate a prevádzková teplota, má každý chemický systém batérie sériu vybíjacích kriviek založených na špecifických kombináciách prevádzkových parametrov. Napríklad nasledujúci obrázok porovnáva vybíjací výkon dvoch bežných lítium-iónových chemických systémov a olovených batérií pri izbovej teplote a rýchlosti vybíjania 0,2C. Tvar vybíjacej krivky má pre dizajnérov veľký význam.

Plochá krivka vybíjania môže zjednodušiť niektoré návrhy aplikácií, pretože napätie batérie zostáva relatívne stabilné počas celého cyklu vybíjania. Na druhej strane krivka sklonu môže zjednodušiť odhad zvyškového náboja, pretože napätie batérie úzko súvisí so zvyškovým nábojom v batérii. Pre lítium-iónové batérie s plochými krivkami vybíjania však odhad zvyškového nabitia vyžaduje zložitejšie metódy, ako je Coulombovo počítanie, ktoré meria vybíjací prúd batérie a integruje prúd v priebehu času na odhad zvyškového nabitia.

Batérie s nadol klesajúcimi krivkami vybíjania navyše zaznamenávajú pokles výkonu počas celého cyklu vybíjania. Na podporu aplikácií s vysokým výkonom na konci vybíjacieho cyklu môže byť potrebná „nadmerná“ batéria. Na napájanie citlivých zariadení a systémov používajúcich batérie so strmými krivkami vybíjania je zvyčajne potrebné použiť regulátor boost napätia.

Nasleduje krivka vybíjania lítium-iónovej batérie, ktorá ukazuje, že ak sa batéria vybíja veľmi vysokou rýchlosťou (alebo naopak nízkou rýchlosťou), efektívna kapacita sa zníži (alebo zvýši). Toto sa nazýva posun kapacity a tento efekt je bežný vo väčšine systémov chémie batérií.

Napätie a kapacita lítium-iónových batérií klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou C. (Obrázok: Richtek)

Pracovná teplota je dôležitý parameter, ktorý ovplyvňuje výkon batérie. Pri veľmi nízkych teplotách môžu batérie s elektrolytmi na vodnej báze zamrznúť, čím sa obmedzí spodná hranica rozsahu ich prevádzkových teplôt. Lítium-iónové batérie môžu pri nízkych teplotách zaznamenať zápornú elektródovú depozíciu lítia, čo trvalo znižuje kapacitu. Pri vysokých teplotách sa chemikálie môžu rozkladať a batéria môže prestať fungovať. Medzi mrazom a chemickým poškodením sa výkon batérie zvyčajne výrazne líši v závislosti od teplotných zmien.

Nasledujúci obrázok ukazuje vplyv rôznych teplôt na výkon lítium-iónových batérií. Pri veľmi nízkych teplotách sa výkon môže výrazne znížiť. Krivka vybíjania batérie je však len jedným aspektom výkonu batérie. Napríklad, čím väčšia je odchýlka medzi prevádzkovou teplotou lítium-iónových batérií a izbovou teplotou (či už pri vysokých alebo nízkych teplotách), tým nižšia je životnosť cyklu. Pre špecifické aplikácie je kompletná analýza všetkých faktorov ovplyvňujúcich použiteľnosť rôznych chemických systémov batérií nad rámec krivky vybíjania batérie v tomto článku. Príkladom iných metód na analýzu výkonu rôznych batérií je Lagone graf.

Napätie a kapacita batérie závisí od teploty. (Obrázok: Richtek)

Pozemky lagúny

Lagúnový diagram porovnáva špecifický výkon a špecifickú energiu rôznych technológií skladovania energie. Napríklad pri zvažovaní batérií elektrických vozidiel špecifická energia súvisí s dojazdom, zatiaľ čo merný výkon zodpovedá výkonu pri zrýchlení.

Ragonov diagram porovnávajúci vzťah medzi špecifickou energiou a špecifickou silou rôznych technológií. (Obrázok: Researchgate)

Diagram lagúny je založený na hmotnostnej hustote energie a hustote výkonu a neobsahuje žiadne informácie týkajúce sa objemových parametrov. Hoci metalurg David V. Lagone vytvoril tieto grafy na porovnanie výkonnosti rôznych chemických látok batérií, graf Lagone je vhodný aj na porovnanie akejkoľvek sady zariadení na ukladanie energie a energetických zariadení, ako sú motory, plynové turbíny a palivové články.

Pomer medzi špecifickou energiou na osi Y a špecifickým výkonom na osi X je počet hodín, počas ktorých zariadenie pracuje pri menovitom výkone. Veľkosť zariadenia tento vzťah neovplyvňuje, pretože väčšie zariadenia budú mať úmerne vyšší výkon a energetickú kapacitu. Izochrónna krivka predstavujúca konštantný prevádzkový čas na diagrame lagúny je priamka.

Zhrnutie

Je dôležité porozumieť vybíjacej krivke batérie a rôznym parametrom, ktoré tvoria skupinu vybíjacích kriviek súvisiacich so špecifickým chemickým zložením batérie. V dôsledku zložitých elektrochemických a termodynamických systémov sú vybíjacie krivky batérií tiež zložité, ale predstavujú len spôsob, ako pochopiť kompromisy výkonu medzi rôznymi chémiami a štruktúrami batérií.