Kako brati krivuljo praznjenja baterije

Kako brati krivuljo praznjenja baterije

Baterije so zapleteni elektrokemični in termodinamični sistemi, na njihovo delovanje pa vpliva več dejavnikov. Seveda je kemija baterije najpomembnejši dejavnik. Vendar pa je pri razumevanju, katera vrsta baterije je najprimernejša za določeno uporabo, treba upoštevati tudi dejavnike, kot so stopnja praznjenja polnjenja, delovna temperatura, pogoji shranjevanja in podrobnosti fizične strukture. Najprej je treba opredeliti več pojmov:

★ Napetost odprtega tokokroga (Voc) je napetost med sponkama akumulatorja, ko akumulator ni obremenjen.

★ Napetost na sponki (Vt) je napetost med sponkama baterije, ko je obremenitev na baterijo; Običajno nižje od Voc.

Mejna napetost (Vco) je napetost, pri kateri je baterija popolnoma izpraznjena, kot je navedeno. Čeprav je baterija običajno na voljo, lahko delovanje pri napetosti pod Vco poškoduje baterijo.

★ Kapaciteta meri skupno število amper ur (AH), ki jih lahko zagotovi baterija, ko je popolnoma napolnjena, dokler Vt ne doseže Vco.

Stopnja praznjenja polnjenja (C-Rate) je hitrost, s katero se baterija polni ali prazni glede na njeno nazivno zmogljivost. Na primer, stopnja 1C bo popolnoma napolnila ali izpraznila baterijo v 1 uri. Pri stopnji praznjenja 0,5C se bo baterija popolnoma izpraznila v 2 urah. Uporaba višje stopnje C običajno zmanjša razpoložljivo kapaciteto baterije in lahko poškoduje baterijo.

★ Stanje napolnjenosti baterije (SoC) kvantificira preostalo kapaciteto baterije kot odstotek največje zmogljivosti. Ko SoC doseže nič in Vt doseže Vco, je lahko v bateriji še vedno preostala moč baterije, vendar brez poškodb baterije in vpliva na prihodnjo zmogljivost baterije ni mogoče nadalje izprazniti.

★ Globina praznjenja (DoD) je dopolnilo SoC, ki meri odstotek kapacitete baterije, ki je bila izpraznjena; DoD=100- SoC.

① Življenjska doba cikla je število razpoložljivih ciklov, preden baterija doseže konec življenjske dobe.

Konec življenjske dobe baterije (EoL) se nanaša na nezmožnost delovanja baterije v skladu z vnaprej določenimi minimalnimi specifikacijami. EoL je mogoče kvantificirati na različne načine:

① Zmanjšanje zmogljivosti temelji na danem odstotku zmanjšanja zmogljivosti baterije v primerjavi z nazivno zmogljivostjo pod določenimi pogoji.

② Slabljenje moči temelji na največji moči baterije pri danem odstotku v primerjavi z nazivno močjo v določenih pogojih.

③ Pretok energije kvantificira skupno količino energije, ki naj bi jo baterija predelala v svoji življenjski dobi, na primer 30 MWh, glede na posebne pogoje delovanja.

★ Zdravstveno stanje (SoH) baterije meri odstotek preostale življenjske dobe, preden doseže EoL.

Polarizacijska krivulja

Krivulja praznjenja baterije se oblikuje na podlagi polarizacijskega učinka baterije, ki se pojavi med procesom praznjenja. Količina energije, ki jo lahko zagotovi baterija v različnih delovnih pogojih, kot sta stopnja C in delovna temperatura, je tesno povezana s površino pod krivuljo praznjenja. Med procesom praznjenja se Vt baterije zmanjša. Zmanjšanje Vt je povezano z več glavnimi dejavniki:

✔ Padec IR - Zmanjšanje napetosti baterije zaradi toka, ki teče skozi notranji upor baterije. Ta faktor linearno narašča pri relativno visoki stopnji praznjenja s konstantno temperaturo.

✔ Aktivacijska polarizacija - nanaša se na različne faktorje pojemka, povezane s kinetiko elektrokemičnih reakcij, kot je delovna funkcija, ki jo morajo ioni premagati na stičišču med elektrodami in elektroliti.

✔ Polarizacija koncentracije – Ta faktor upošteva upor, s katerim se srečujejo ioni med prenosom mase (difuzijo) z ene elektrode na drugo. Ta dejavnik prevladuje, ko so litij-ionske baterije popolnoma izpraznjene in naklon krivulje postane zelo strm.

Polarizacijska krivulja (krivulja praznjenja) baterije prikazuje kumulativne učinke zmanjšanja IR, aktivacijske polarizacije in koncentracijske polarizacije na Vt (potencial baterije). (Slika: BioLogic)

Upoštevanje krivulje praznjenja

Baterije so bile zasnovane za široko paleto aplikacij in zagotavljajo različne zmogljivosti. Na primer, obstaja vsaj šest osnovnih litij-ionskih kemičnih sistemov, od katerih ima vsak svoj edinstven nabor funkcij. Krivulja praznjenja je običajno narisana z Vt na Y-osi, medtem ko je SoC (ali DoD) narisana na X-osi. Zaradi korelacije med zmogljivostjo baterije in različnimi parametri, kot sta stopnja C in delovna temperatura, ima vsak kemični sistem baterije vrsto krivulj praznjenja, ki temeljijo na specifičnih kombinacijah delovnih parametrov. Naslednja slika na primer primerja zmogljivost praznjenja dveh običajnih litij-ionskih kemičnih sistemov in svinčenih baterij pri sobni temperaturi in hitrosti praznjenja 0,2 C. Oblika krivulje praznjenja je za oblikovalce zelo pomembna.

Ravna krivulja praznjenja lahko poenostavi določene zasnove aplikacij, saj napetost baterije ostane relativno stabilna skozi celoten cikel praznjenja. Po drugi strani lahko naklonska krivulja poenostavi oceno preostalega naboja, saj je napetost akumulatorja tesno povezana s preostalim nabojem v akumulatorju. Vendar pa za litij-ionske baterije z ravnimi krivuljami praznjenja ocenjevanje preostalega naboja zahteva bolj zapletene metode, kot je Coulombovo štetje, ki meri praznjen tok akumulatorja in integrira tok skozi čas za oceno preostalega naboja.

Poleg tega se pri baterijah z navzdol nagnjenimi krivuljami praznjenja moč zmanjša skozi celoten cikel praznjenja. Na koncu cikla praznjenja bo za podporo visokozmogljivih aplikacij morda potrebna baterija 'presežne velikosti'. Običajno je treba za napajanje občutljivih naprav in sistemov, ki uporabljajo baterije s strmimi krivuljami praznjenja, uporabiti regulator napetosti.

Sledi krivulja praznjenja litij-ionske baterije, ki kaže, da če se baterija prazni z zelo visoko hitrostjo (ali obratno, z nizko hitrostjo), se bo efektivna zmogljivost zmanjšala (ali povečala). To se imenuje premik zmogljivosti in ta učinek je pogost v večini kemičnih sistemov baterij.

Napetost in zmogljivost litij-ionskih baterij se zmanjšujeta s povečanjem stopnje C. (Slika: Richtek)

Delovna temperatura je pomemben parameter, ki vpliva na delovanje baterije. Pri zelo nizkih temperaturah lahko baterije z elektroliti na vodni osnovi zmrznejo, kar omeji spodnjo mejo njihovega delovnega temperaturnega območja. Pri litij-ionskih baterijah se lahko pri nizkih temperaturah odloži negativna elektroda litija, kar trajno zmanjša zmogljivost. Pri visokih temperaturah lahko kemikalije razpadejo in baterija lahko preneha delovati. Med zmrzovanjem in kemičnimi poškodbami se zmogljivost baterije običajno močno razlikuje glede na temperaturne spremembe.

Naslednja slika prikazuje vpliv različnih temperatur na delovanje litij-ionskih baterij. Pri zelo nizkih temperaturah se lahko zmogljivost znatno zmanjša. Vendar pa je krivulja praznjenja baterije le en vidik delovanja baterije. Na primer, večje kot je odstopanje med delovno temperaturo litij-ionskih baterij in sobno temperaturo (bodisi pri visokih ali nizkih temperaturah), krajša je življenjska doba cikla. Za posebne aplikacije je popolna analiza vseh dejavnikov, ki vplivajo na uporabnost različnih kemičnih sistemov baterije, izven obsega krivulje praznjenja baterije v tem članku. Primer drugih metod za analizo učinkovitosti različnih baterij je Lagonov graf.

Napetost in zmogljivost baterije sta odvisni od temperature. (Slika: Richtek)

Lagone parcele

Lagoonov diagram primerja specifično moč in specifično energijo različnih tehnologij za shranjevanje energije. Na primer, ko razmišljamo o baterijah električnih vozil, je specifična energija povezana z dosegom, medtem ko specifična moč ustreza zmogljivosti pospeška.

Ragonov diagram, ki primerja razmerje med specifično energijo in specifično močjo različnih tehnologij. (Slika: Researchgate)

Lagoonov diagram temelji na masni gostoti energije in gostoti moči ter ne vključuje nobenih informacij, povezanih s parametri volumna. Čeprav je metalurg David V. Lagone razvil te karte za primerjavo učinkovitosti različnih kemičnih sklopov baterij, je Lagoneova karta primerna tudi za primerjavo katerega koli niza naprav za shranjevanje energije in energije, kot so motorji, plinske turbine in gorivne celice.

Razmerje med specifično energijo na osi Y in specifično močjo na osi X je število ur, ko naprava deluje pri nazivni moči. Velikost naprave na to razmerje ne vpliva, saj bodo imele večje naprave sorazmerno večjo moč in energijsko zmogljivost. Izohronska krivulja, ki predstavlja stalni čas delovanja na Lagoonovem diagramu, je ravna črta.

Povzetek

Pomembno je razumeti krivuljo praznjenja akumulatorja in različne parametre, ki sestavljajo družino krivulj praznjenja, povezane s specifično kemijo akumulatorja. Zaradi zapletenih elektrokemičnih in termodinamičnih sistemov so tudi krivulje praznjenja baterij zapletene, vendar so le način za razumevanje kompromisov glede zmogljivosti med različnimi kemijo in strukturami baterij.