Teorija polnjenja in praznjenja litijeve baterije

Teorija polnjenja in praznjenja litijeve baterije

1.1 Stanje napolnjenosti (SOC)

Stanje napolnjenosti lahko definiramo kot stanje razpoložljive električne energije v bateriji, običajno izraženo v odstotkih. Ker se razpoložljiva električna energija spreminja glede na tok polnjenja in praznjenja, temperaturo in pojav staranja, je tudi definicija stanja napolnjenosti razdeljena na dve vrsti: absolutno stanje napolnjenosti (ASOC) in relativno stanje napolnjenosti (RSOC). Razpon relativnega stanja napolnjenosti je običajno 0 % -100 %, medtem ko je baterija 100 %, ko je popolnoma napolnjena, in 0 %, ko je popolnoma izpraznjena. Absolutno stanje napolnjenosti je referenčna vrednost, izračunana na podlagi načrtovane vrednosti fiksne zmogljivosti, ko je baterija izdelana. Absolutno stanje napolnjenosti povsem nove popolnoma napolnjene baterije je 100 %; Tudi če je starajoča se baterija popolnoma napolnjena, ne more doseči 100 % pod različnimi pogoji polnjenja in praznjenja.

Naslednja slika prikazuje razmerje med napetostjo in zmogljivostjo baterije pri različnih stopnjah praznjenja. Večja kot je stopnja praznjenja, nižja je zmogljivost baterije. Ko je temperatura nizka, se zmanjša tudi zmogljivost baterije.

                          Slika 1. Razmerje med napetostjo in zmogljivostjo pri različnih stopnjah praznjenja in temperaturah

1.2 Največja polnilna napetost

Najvišja polnilna napetost je povezana s kemično sestavo in lastnostmi baterije. Polnilna napetost litijevih baterij je običajno 4,2 V in 4,35 V, vrednosti napetosti pa se lahko razlikujejo glede na materiale katode in anode.

1.3 Popolnoma napolnjen

Ko je razlika med napetostjo baterije in najvišjo polnilno napetostjo manjša od 100 mV in se polnilni tok zmanjša na C/10, se lahko šteje, da je baterija popolnoma napolnjena. Lastnosti baterij so različne, različni pa so tudi pogoji popolne napolnjenosti.

Naslednja slika prikazuje značilno krivuljo polnjenja litijeve baterije. Ko je napetost akumulatorja enaka najvišji napetosti polnjenja in se polnilni tok zmanjša na C/10, velja, da je akumulator popolnoma napolnjen.

                             Slika 2. Karakteristična krivulja polnjenja litijeve baterije

1.4 Najmanjša napetost praznjenja

Najmanjšo napetost praznjenja lahko definiramo kot mejno napetost praznjenja, običajno napetost pri 0 % napolnjenosti. Ta vrednost napetosti ni fiksna vrednost, ampak se spreminja z obremenitvijo, temperaturo, stopnjo staranja ali drugimi dejavniki.

1.5 Popolna izpraznitev

Ko je napetost akumulatorja manjša ali enaka minimalni napetosti praznjenja, se lahko imenuje popolna izpraznitev.

1.6 Stopnja praznjenja polnjenja (C-Rate)

Stopnja praznjenja polnjenja je predstavitev toka praznjenja polnjenja glede na kapaciteto baterije. Na primer, če se 1C uporablja za praznjenje eno uro, se bo baterija v idealnem primeru popolnoma izpraznila. Različne stopnje polnjenja in praznjenja bodo povzročile različne razpoložljive zmogljivosti. Običajno je višja stopnja praznjenja polnjenja, manjša je razpoložljiva zmogljivost.

1.7 Življenjska doba cikla

Število ciklov je število, kolikokrat je bila baterija popolnoma napolnjena in izpraznjena, kar je mogoče oceniti na podlagi dejanske zmogljivosti praznjenja in konstrukcijske zmogljivosti. Kadarkoli je akumulirana zmogljivost praznjenja enaka projektirani zmogljivosti, je število ciklov eno. Običajno se po 500 ciklih polnjenja in praznjenja zmogljivost popolnoma napolnjene baterije zmanjša za 10 % do 20 %.

                          Slika 3. Razmerje med časi cikla in zmogljivostjo baterije

1.8 Samopraznjenje

Samopraznjenje vseh baterij se poveča z naraščajočo temperaturo. Samopraznjenje v bistvu ni tovarniška napaka, temveč značilnost same baterije. Vendar pa lahko nepravilno ravnanje med proizvodnim procesom povzroči tudi povečanje samopraznjenja. Običajno se za vsakih 10 °C zvišanje temperature baterije stopnja samopraznjenja podvoji. Litij-ionske baterije imajo mesečno zmogljivost samopraznjenja približno 1-2 %, medtem ko imajo različne baterije na osnovi niklja 10-15 % mesečno samopraznjenje.

                             Slika 4. Učinkovitost hitrosti samopraznjenja litijevih baterij pri različnih temperaturah