Teoria ładowania i rozładowywania baterii litowych

Teoria ładowania i rozładowywania baterii litowych

1.1 Stan naładowania (SOC)

Stan naładowania można zdefiniować jako stan dostępnej energii elektrycznej w akumulatorze, zwykle wyrażany w procentach. Ponieważ dostępna energia elektryczna zmienia się w zależności od prądu ładowania i rozładowywania, temperatury i zjawiska starzenia, definicja stanu naładowania jest również podzielona na dwa typy: bezwzględny stan naładowania (ASOC) i względny stan naładowania (RSOC). Zakres względnego stanu naładowania wynosi zwykle 0% -100%, przy czym akumulator wynosi 100% przy pełnym naładowaniu i 0% przy całkowitym rozładowaniu. Bezwzględny stan naładowania jest wartością referencyjną obliczoną na podstawie ustalonej wartości pojemności zaprojektowanej w momencie produkcji akumulatora. Bezwzględny stan naładowania zupełnie nowego, w pełni naładowanego akumulatora wynosi 100%; Nawet jeśli starzejący się akumulator jest w pełni naładowany, nie może osiągnąć 100% w różnych warunkach ładowania i rozładowywania.

Poniższy rysunek przedstawia zależność pomiędzy napięciem i pojemnością akumulatora przy różnych szybkościach rozładowania. Im wyższy stopień rozładowania, tym mniejsza pojemność akumulatora. Gdy temperatura jest niska, pojemność akumulatora również spada.

                          Rysunek 1. Zależność między napięciem i pojemnością przy różnych szybkościach rozładowania i temperaturach

1.2 Maksymalne napięcie ładowania

Najwyższe napięcie ładowania jest związane ze składem chemicznym i właściwościami akumulatora. Napięcie ładowania akumulatorów litowych wynosi zwykle 4,2 V i 4,35 V, a wartości napięcia mogą się różnić w zależności od materiału katody i anody.

1.3 W pełni naładowany

Gdy różnica między napięciem akumulatora a najwyższym napięciem ładowania jest mniejsza niż 100 mV, a prąd ładowania spada do C/10, akumulator można uznać za w pełni naładowany. Charakterystyka akumulatorów jest różna, podobnie jak warunki pełnego ładowania.

Poniższy rysunek przedstawia typową krzywą charakterystyki ładowania akumulatora litowego. Gdy napięcie akumulatora jest równe najwyższemu napięciu ładowania, a prąd ładowania spada do C/10, akumulator uważa się za całkowicie naładowany.

                             Rysunek 2. Krzywa charakterystyki ładowania akumulatora litowego

1.4 Minimalne napięcie rozładowania

Minimalne napięcie rozładowania można zdefiniować jako napięcie odcięcia rozładowania, zwykle napięcie przy stanie naładowania 0%. Ta wartość napięcia nie jest wartością stałą, ale zmienia się wraz z obciążeniem, temperaturą, stopniem starzenia lub innymi czynnikami.

1.5 Pełne rozładowanie

Gdy napięcie akumulatora jest mniejsze lub równe minimalnemu napięciu rozładowania, można to nazwać całkowitym rozładowaniem.

1.6 Szybkość rozładowania ładunku (C-Stop)

Szybkość rozładowania jest reprezentacją prądu rozładowania ładowania w stosunku do pojemności akumulatora. Na przykład, jeśli do rozładowania użyje się prądu 1C przez godzinę, w idealnym przypadku akumulator całkowicie się rozładuje. Różne szybkości ładowania i rozładowywania będą skutkować różnymi dostępnymi pojemnościami. Zwykle im wyższa szybkość rozładowania, tym mniejsza dostępna pojemność.

1.7 Cykl życia

Liczba cykli to liczba całkowitych ładowań i rozładowań akumulatora, którą można oszacować na podstawie rzeczywistej pojemności rozładowania i pojemności projektowej. Ilekroć skumulowana pojemność rozładowania jest równa wydajności projektowej, liczba cykli wynosi jeden. Zwykle po 500 cyklach ładowania i rozładowywania pojemność w pełni naładowanego akumulatora spada o 10% do 20%.

                          Rysunek 3. Zależność pomiędzy czasami cykli i pojemnością baterii

1.8 Samorozładowanie

Samorozładowanie wszystkich akumulatorów będzie wzrastać wraz ze wzrostem temperatury. Samorozładowanie nie jest w zasadzie wadą produkcyjną, ale raczej cechą samego akumulatora. Jednakże niewłaściwe obchodzenie się z akumulatorem podczas procesu produkcyjnego może również prowadzić do zwiększenia samorozładowania. Zazwyczaj na każde 10°C wzrostu temperatury akumulatora, stopień samorozładowania podwaja się. Baterie litowo-jonowe mają miesięczną zdolność samorozładowania na poziomie około 1-2%, podczas gdy różne baterie niklowe mają miesięczną zdolność samorozładowania na poziomie 10-15%.

                             Rysunek 4. Charakterystyka szybkości samorozładowania akumulatorów litowych w różnych temperaturach