Как да четем кривата на разреждане на батерията

Как да четем кривата на разреждане на батерията

Батериите са сложни електрохимични и термодинамични системи и много фактори влияят върху работата им. Разбира се, химията на батерията е най-важният фактор. Въпреки това, когато се разбере кой тип батерия е най-подходящ за конкретно приложение, е необходимо също така да се вземат предвид фактори като скорост на разреждане на заряда, работна температура, условия на съхранение и подробности за физическата структура. Първо, трябва да се дефинират няколко термина:

★ Напрежението на отворена верига (Voc) е напрежението между клемите на батерията, когато няма натоварване на батерията.

★ Клемно напрежение (Vt) е напрежението между клемите на батерията, когато товарът е приложен към батерията; Обикновено по-ниска от Voc.

Напрежението на прекъсване (Vco) е напрежението, при което батерията е напълно разредена, както е посочено. Въпреки че обикновено има оставащ заряд на батерията, работата при напрежение под Vco може да повреди батерията.

★ Капацитетът измерва общите амперчасове (AH), които батерията може да осигури, когато е напълно заредена, докато Vt достигне Vco.

Скоростта на разреждане на заряда (C-Rate) е скоростта, с която една батерия се зарежда или разрежда спрямо нейния номинален капацитет. Например скорост от 1C ще зареди напълно или разреди батерията в рамките на 1 час. При степен на разреждане от 0,5C, батерията ще се разреди напълно в рамките на 2 часа. Използването на по-висок C-Rate обикновено намалява наличния капацитет на батерията и може да я повреди.

★ Състоянието на зареждане на батерията (SoC) определя количествено оставащия капацитет на батерията като процент от максималния капацитет. Когато SoC достигне нула и Vt достигне Vco, все още може да има оставащ заряд на батерията в батерията, но без да се повреди батерията и да се повлияе на бъдещия капацитет, батерията не може да бъде допълнително разредена.

★ Дълбочината на разреждане (DoD) е допълнение към SoC, което измерва процента на разредения капацитет на батерията; DoD=100- SoC.

① Животът на цикъла е броят на наличните цикли, преди батерията да достигне края на експлоатационния си живот.

Краят на живота на батерията (EoL) се отнася до неспособността на батерията да работи според предварително определените минимални спецификации. EoL може да бъде количествено определен по различни начини:

① Намаляването на капацитета се основава на дадено процентно намаление на капацитета на батерията в сравнение с номиналния капацитет при определени условия.

② Затихването на мощността се основава на максималната мощност на батерията при даден процент в сравнение с номиналната мощност при определени условия.

③ Енергийната пропускателна способност определя количествено общото количество енергия, което една батерия се очаква да преработи по време на живота си, като например 30 MWh, въз основа на конкретни работни условия.

★ Здравният статус (SoH) на батерията измерва процента на оставащия полезен живот преди достигане на EoL.

Поляризационна крива

Кривата на разреждане на батерията се формира въз основа на поляризационния ефект на батерията, който възниква по време на процеса на разреждане. Количеството енергия, което една батерия може да осигури при различни работни условия, като C-скорост и работна температура, е тясно свързано с площта под кривата на разреждане. По време на процеса на разреждане Vt на батерията ще намалее. Намаляването на Vt е свързано с няколко основни фактора:

✔ IR спад - Намаляването на напрежението на батерията, причинено от тока, преминаващ през вътрешното съпротивление на батерията. Този фактор се увеличава линейно при относително висока скорост на разреждане, с постоянна температура.

✔ Поляризация на активиране - отнася се до различни фактори на забавяне, свързани с кинетиката на електрохимичните реакции, като работната функция, която йоните трябва да преодолеят при свързването между електроди и електролити.

✔ Концентрационна поляризация - Този фактор отчита съпротивлението, пред което са изправени йоните по време на пренос на маса (дифузия) от един електрод към друг. Този фактор доминира, когато литиево-йонните батерии са напълно разредени и наклонът на кривата става много стръмен.

Поляризационната крива (кривата на разреждане) на батерията показва кумулативните ефекти от намаляване на IR, поляризация на активиране и поляризация на концентрация върху Vt (потенциал на батерията). (Изображение: BioLogic)

Съображения за кривата на разтоварване

Батериите са проектирани за широк спектър от приложения и осигуряват различни работни характеристики. Например, има най-малко шест основни литиево-йонни химически системи, всяка със собствен уникален набор от функции. Кривата на разреждане обикновено се начертава с Vt на оста Y, докато SoC (или DoD) се начертава на оста X. Поради корелацията между производителността на батерията и различни параметри, като C-скорост и работна температура, всяка химическа система на батерията има поредица от криви на разреждане, базирани на специфични комбинации от работни параметри. Например, следващата фигура сравнява характеристиките на разреждане на две често срещани литиево-йонни химически системи и оловно-киселинни батерии при стайна температура и 0,2C скорост на разреждане. Формата на кривата на разреждане е от голямо значение за дизайнерите.

Плоската крива на разреждане може да опрости дизайна на определени приложения, тъй като напрежението на батерията остава относително стабилно през целия цикъл на разреждане. От друга страна, кривата на наклона може да опрости оценката на остатъчния заряд, тъй като напрежението на батерията е тясно свързано с остатъчния заряд в батерията. Въпреки това, за литиево-йонни батерии с плоски криви на разреждане, оценяването на остатъчния заряд изисква по-сложни методи, като например броене на Кулон, което измерва тока на разреждане на батерията и интегрира тока във времето, за да оцени остатъчния заряд.

В допълнение, батериите с наклонени надолу криви на разреждане изпитват намаляване на мощността през целия цикъл на разреждане. Може да е необходима батерия с „свръхразмер“ за поддържане на приложения с висока мощност в края на цикъла на разреждане. Обикновено е необходимо да се използва регулатор на усилващо напрежение за захранване на чувствителни устройства и системи, използващи батерии със стръмни криви на разреждане.

Следва кривата на разреждане на литиево-йонна батерия, която показва, че ако батерията се разрежда с много висока скорост (или обратното, с ниска скорост), ефективният капацитет ще намалее (или се увеличи). Това се нарича изместване на капацитета и този ефект е често срещан в повечето системи за химия на батерията.

Напрежението и капацитетът на литиево-йонните батерии намаляват с увеличаването на C. (Изображение: Richtek)

Работната температура е важен параметър, който влияе върху работата на батерията. При много ниски температури батериите с електролити на водна основа могат да замръзнат, ограничавайки долната граница на работния им температурен диапазон. Литиево-йонните батерии могат да получат отлагане на литий на отрицателния електрод при ниски температури, което трайно намалява капацитета. При високи температури химикалите могат да се разложат и батерията може да спре да работи. Между замръзване и химическо увреждане, производителността на батерията обикновено варира значително в зависимост от температурните промени.

Следната фигура показва влиянието на различните температури върху работата на литиево-йонните батерии. При много ниски температури производителността може значително да намалее. Кривата на разреждане на батерията обаче е само един аспект на производителността на батерията. Например, колкото по-голямо е отклонението между работната температура на литиево-йонните батерии и стайната температура (независимо дали при високи или ниски температури), толкова по-малък е животът на цикъла. За конкретни приложения пълният анализ на всички фактори, влияещи върху приложимостта на различни химически системи на батерията, е извън обхвата на кривата на разреждане на батерията в тази статия. Пример за други методи за анализ на производителността на различни батерии е графиката на Lagone.

Напрежението и капацитетът на батерията зависят от температурата. (Изображение: Richtek)

Лагонски парцели

Диаграмата Lagoon сравнява специфичната мощност и специфичната енергия на различни технологии за съхранение на енергия. Например, когато разглеждаме батерии за електрически превозни средства, специфичната енергия е свързана с обхвата, докато специфичната мощност съответства на производителността на ускорението.

Диаграма на Ragone, сравняваща връзката между специфична енергия и специфична мощност на различни технологии. (Изображение: Researchgate)

Диаграмата Lagoon се основава на плътност на енергията на масата и плътност на мощността и не включва информация, свързана с параметрите на обема. Въпреки че металургът Дейвид В. Лагоун разработи тези диаграми, за да сравни производителността на различни химикали на батериите, диаграмата на Лагон е подходяща и за сравняване на всеки набор от устройства за съхранение на енергия и енергия, като двигатели, газови турбини и горивни клетки.

Съотношението между специфичната енергия по оста Y и специфичната мощност по оста X е броят часове, през които устройството работи при номинална мощност. Размерът на устройството не влияе на тази връзка, тъй като по-големите устройства ще имат пропорционално по-висока мощност и енергиен капацитет. Изохронната крива, представляваща постоянно работно време на диаграмата на Lagoon, е права линия.

Резюме

Важно е да се разбере кривата на разреждане на батерията и различните параметри, които съставляват семейството на кривите на разреждане, свързани с конкретната химия на батерията. Поради сложните електрохимични и термодинамични системи, кривите на разреждане на батериите също са сложни, но те са само начин да се разберат компромисите в производителността между различни химически състави и структури на батериите.