Jak odczytać krzywą rozładowania akumulatora

Jak odczytać krzywą rozładowania akumulatora

Baterie to złożone układy elektrochemiczne i termodynamiczne, a na ich wydajność wpływa wiele czynników. Oczywiście najważniejszym czynnikiem jest skład chemiczny akumulatora. Jednakże, aby zrozumieć, który typ akumulatora jest najbardziej odpowiedni do konkretnego zastosowania, należy również wziąć pod uwagę takie czynniki, jak szybkość rozładowania, temperatura pracy, warunki przechowywania i szczegóły struktury fizycznej. Na początek należy zdefiniować kilka terminów:

★ Napięcie obwodu otwartego (Voc) to napięcie między zaciskami akumulatora, gdy akumulator nie jest obciążony.

★ Napięcie na zaciskach (Vt) to napięcie między zaciskami akumulatora, gdy do akumulatora przyłożone jest obciążenie; Zwykle niższy niż Voc.

Napięcie odcięcia (Vco) to napięcie, przy którym akumulator jest całkowicie rozładowany, zgodnie ze specyfikacją. Mimo że zazwyczaj poziom naładowania akumulatora jest niski, praca przy napięciu poniżej Vco może spowodować uszkodzenie akumulatora.

★ Pojemność mierzy całkowitą liczbę amperogodzin (AH), które akumulator może zapewnić przy pełnym naładowaniu, aż do osiągnięcia przez Vt Vco.

Szybkość rozładowania (C-Rate) to szybkość, z jaką akumulator jest ładowany lub rozładowywany w stosunku do jego pojemności znamionowej. Na przykład współczynnik 1C spowoduje pełne naładowanie lub rozładowanie akumulatora w ciągu 1 godziny. Przy szybkości rozładowania wynoszącej 0,5°C, akumulator rozładuje się całkowicie w ciągu 2 godzin. Używanie wyższego współczynnika C zwykle zmniejsza dostępną pojemność akumulatora i może spowodować jego uszkodzenie.

★ Stan naładowania baterii (SoC) określa pozostałą pojemność baterii jako procent maksymalnej pojemności. Kiedy SoC osiągnie zero, a Vt osiągnie Vco, w akumulatorze może nadal znajdować się energia, ale bez uszkodzenia akumulatora i wpływu na przyszłą pojemność, akumulatora nie będzie można dalej rozładowywać.

★ Głębokość rozładowania (DoD) jest uzupełnieniem SoC, który mierzy procent pojemności baterii, która została rozładowana; DoD=100- SoC.

① Cykl życia to liczba dostępnych cykli, zanim akumulator osiągnie koniec okresu użytkowania.

Koniec żywotności baterii (EoL) oznacza, że ​​bateria nie może działać zgodnie z wcześniej określonymi minimalnymi specyfikacjami. EoL można określić ilościowo na różne sposoby:

① Spadek pojemności opiera się na podanym procentowym spadku pojemności akumulatora w porównaniu do pojemności znamionowej w określonych warunkach.

② Tłumienie mocy opiera się na maksymalnej mocy akumulatora przy danej wartości procentowej w porównaniu z mocą znamionową w określonych warunkach.

③ Przepustowość energetyczna określa ilościowo całkowitą ilość energii, jaką akumulator ma przetworzyć w ciągu swojego cyklu życia, np. 30 MWh, w oparciu o określone warunki pracy.

★ Stan kondycji (SoH) baterii mierzy procent pozostałego okresu użytkowania przed osiągnięciem EoL.

Krzywa polaryzacji

Krzywa rozładowania akumulatora tworzona jest w oparciu o efekt polaryzacji akumulatora występujący podczas procesu rozładowywania. Ilość energii, jaką akumulator może dostarczyć w różnych warunkach pracy, takich jak współczynnik C i temperatura pracy, jest ściśle powiązana z polem pod krzywą rozładowania. Podczas procesu rozładowywania Vt akumulatora będzie się zmniejszać. Spadek Vt jest związany z kilkoma głównymi czynnikami:

✔ Spadek IR - Spadek napięcia akumulatora spowodowany przepływem prądu przez rezystancję wewnętrzną akumulatora. Współczynnik ten rośnie liniowo przy stosunkowo dużej szybkości rozładowania, przy stałej temperaturze.

✔ Polaryzacja aktywacji – odnosi się do różnych czynników opóźniających związanych z kinetyką reakcji elektrochemicznych, jak np. funkcja pracy, jaką muszą pokonać jony na styku elektrod i elektrolitów.

✔ Polaryzacja stężenia – współczynnik ten uwzględnia opór, jaki napotykają jony podczas przenoszenia masy (dyfuzji) z jednej elektrody na drugą. Czynnik ten dominuje, gdy akumulatory litowo-jonowe są całkowicie rozładowane, a nachylenie krzywej staje się bardzo strome.

Krzywa polaryzacji (krzywa rozładowania) akumulatora pokazuje skumulowany wpływ spadku IR, polaryzacji aktywacji i polaryzacji stężenia na Vt (potencjał akumulatora). (Zdjęcie: BioLogic)

Rozważania dotyczące krzywej rozładowania

Baterie zostały zaprojektowane do szerokiego zakresu zastosowań i zapewniają różną charakterystykę wydajności. Na przykład istnieje co najmniej sześć podstawowych układów chemicznych litowo-jonowych, każdy z własnym, unikalnym zestawem funkcji. Krzywą rozładowania zwykle wykreśla się z Vt na osi Y, natomiast SoC (lub DoD) na osi X. Ze względu na korelację między wydajnością akumulatora a różnymi parametrami, takimi jak współczynnik C i temperatura pracy, każdy układ chemiczny akumulatora ma szereg krzywych rozładowania opartych na określonych kombinacjach parametrów roboczych. Na przykład poniższy rysunek porównuje wydajność rozładowania dwóch popularnych systemów chemicznych litowo-jonowych i akumulatorów kwasowo-ołowiowych w temperaturze pokojowej i przy szybkości rozładowania 0,2°C. Kształt krzywej rozładowania ma ogromne znaczenie dla projektantów.

Płaska krzywa rozładowania może uprościć niektóre projekty aplikacji, ponieważ napięcie akumulatora pozostaje stosunkowo stabilne przez cały cykl rozładowania. Z drugiej strony krzywa nachylenia może uprościć oszacowanie ładunku resztkowego, ponieważ napięcie akumulatora jest ściśle powiązane z ładunkiem resztkowym w akumulatorze. Jednakże w przypadku akumulatorów litowo-jonowych o płaskich krzywych rozładowania szacowanie ładunku resztkowego wymaga bardziej złożonych metod, takich jak zliczanie kulombowskie, które mierzy prąd rozładowania akumulatora i całkuje prąd w czasie w celu oszacowania ładunku resztkowego.

Ponadto w przypadku akumulatorów o nachylonych w dół krzywych rozładowania następuje spadek mocy w trakcie całego cyklu rozładowania. Do obsługi zastosowań wymagających dużej mocy pod koniec cyklu rozładowania może być wymagany akumulator o „nadmiernym rozmiarze”. Zwykle konieczne jest zastosowanie regulatora napięcia wspomagającego do zasilania wrażliwych urządzeń i systemów wykorzystujących akumulatory o stromych krzywych rozładowania.

Poniżej znajduje się krzywa rozładowania akumulatora litowo-jonowego, która pokazuje, że jeśli akumulator będzie rozładowywany z bardzo dużą szybkością (lub odwrotnie, z małą szybkością), efektywna pojemność spadnie (lub wzrośnie). Nazywa się to zmianą pojemności i efekt ten jest powszechny w większości systemów chemicznych akumulatorów.

Napięcie i pojemność akumulatorów litowo-jonowych zmniejszają się wraz ze wzrostem współczynnika C. (Zdjęcie: Richtek)

Temperatura pracy jest ważnym parametrem wpływającym na wydajność akumulatora. W bardzo niskich temperaturach akumulatory z elektrolitami na bazie wody mogą zamarznąć, ograniczając dolną granicę ich zakresu temperatur pracy. W akumulatorach litowo-jonowych w niskich temperaturach może wystąpić osadzanie się litu na elektrodzie ujemnej, co trwale zmniejsza pojemność. W wysokich temperaturach substancje chemiczne mogą się rozłożyć i akumulator może przestać działać. Pomiędzy zamarznięciem a uszkodzeniami chemicznymi, wydajność baterii zazwyczaj znacznie się różni w zależności od zmian temperatury.

Poniższy rysunek przedstawia wpływ różnych temperatur na wydajność akumulatorów litowo-jonowych. W bardzo niskich temperaturach wydajność może znacznie spaść. Jednak krzywa rozładowania akumulatora to tylko jeden aspekt wydajności akumulatora. Na przykład im większe odchylenie między temperaturą roboczą akumulatorów litowo-jonowych a temperaturą pokojową (czy to w wysokich, czy w niskich temperaturach), tym krótszy jest cykl życia. W przypadku konkretnych zastosowań pełna analiza wszystkich czynników wpływających na zastosowanie różnych układów chemicznych akumulatorów wykracza poza zakres krzywej rozładowania akumulatora zawartej w tym artykule. Przykładem innych metod analizy wydajności różnych akumulatorów jest wykres Lagone’a.

Napięcie i pojemność akumulatora zależą od temperatury. (Zdjęcie: Richtek)

Działki Lagone

Diagram Laguny porównuje moc właściwą i energię właściwą różnych technologii magazynowania energii. Na przykład, biorąc pod uwagę akumulatory pojazdów elektrycznych, energia właściwa jest powiązana z zasięgiem, natomiast moc właściwa odpowiada osiągom w zakresie przyspieszenia.

Diagram Ragone'a porównujący zależność między energią właściwą a mocą właściwą różnych technologii. (Zdjęcie: Brama badawcza)

Diagram Laguny opiera się na gęstości energii masy i gęstości mocy i nie zawiera żadnych informacji związanych z parametrami objętościowymi. Chociaż metalurg David V. Lagone opracował te wykresy w celu porównania wydajności różnych składów chemicznych akumulatorów, wykres Lagone nadaje się również do porównywania dowolnego zestawu urządzeń magazynujących energię i energii, takich jak silniki, turbiny gazowe i ogniwa paliwowe.

Stosunek energii właściwej na osi Y do mocy właściwej na osi X to liczba godzin, przez które urządzenie pracuje przy mocy znamionowej. Rozmiar urządzenia nie ma wpływu na tę zależność, gdyż większe urządzenia będą miały proporcjonalnie większą moc i pojemność energetyczną. Krzywa izochroniczna przedstawiająca stały czas pracy na diagramie Laguny jest linią prostą.

Streszczenie

Ważne jest zrozumienie krzywej rozładowania akumulatora i różnych parametrów tworzących rodzinę krzywych rozładowania, związanych z konkretnym składem chemicznym akumulatora. Ze względu na złożone układy elektrochemiczne i termodynamiczne krzywe rozładowania akumulatorów są również złożone, ale stanowią one jedynie sposób na zrozumienie kompromisów w zakresie wydajności pomiędzy różnymi składami chemicznymi i strukturami akumulatorów.