Како да ја прочитате кривата на празнење на батеријата

Како да ја прочитате кривата на празнење на батеријата

Батериите се сложени електрохемиски и термодинамички системи и повеќе фактори влијаат на нивната изведба. Се разбира, хемијата на батериите е најважниот фактор. Меѓутоа, кога се разбира кој тип на батерија е најсоодветен за одредена апликација, исто така е неопходно да се земат предвид факторите како што се стапката на празнење на полнење, работната температура, условите за складирање и деталите за физичката структура. Прво, треба да се дефинираат неколку термини:

★ Напон на отворено коло (Voc) е напонот помеѓу терминалите на батеријата кога нема оптоварување на батеријата.

★ Терминален напон (Vt) е напонот помеѓу терминалите на батеријата кога оптоварувањето се нанесува на батеријата; Обично пониско од Voc.

Напонот за исклучување (Vco) е напонот при кој батеријата е целосно испразнета, како што е наведено. Иако обично има преостаната енергија од батеријата, работењето на напон под Vco може да ја оштети батеријата.

★ Капацитетот ги мери вкупните ампер часови (AH) што батеријата може да ги обезбеди кога е целосно наполнета, додека Vt не достигне Vco.

Стапката на празнење на полнење (C-Rate) е стапката со која батеријата се полни или испразнува во однос на нејзиниот номинален капацитет. На пример, стапката од 1C целосно ќе ја наполни или испразни батеријата во рок од 1 час. При стапка на празнење од 0,5C, батеријата целосно ќе се испразни во рок од 2 часа. Користењето на повисока C-Rate обично го намалува расположливиот капацитет на батеријата и може да ја оштети батеријата.

★ Состојбата на полнење на батеријата (SoC) го квантифицира преостанатиот капацитет на батеријата како процент од максималниот капацитет. Кога SoC ќе достигне нула и Vt ќе достигне Vco, можеби сè уште има преостаната енергија од батеријата во батеријата, но без да се оштети батеријата и да се влијае на идниот капацитет, батеријата не може дополнително да се испразни.

★ Длабочината на празнење (DoD) е дополнување на SoC, што го мери процентот на испразнет капацитет на батеријата; DoD=100- SoC.

① Времетраењето на циклусот е бројот на достапни циклуси пред батеријата да го достигне крајот на работниот век.

Крајот на траењето на батеријата (EoL) се однесува на неможноста на батеријата да работи според однапред утврдените минимални спецификации. EoL може да се квантифицира на различни начини:

① Распаѓањето на капацитетот се заснова на даденото процентуално намалување на капацитетот на батеријата во споредба со номиналниот капацитет под одредени услови.

② Слабеењето на моќноста се заснова на максималната моќност на батеријата во даден процент во споредба со номиналната моќност под одредени услови.

③ Пропусната моќ на енергија ја квантифицира вкупната количина на енергија што се очекува да ја обработи батеријата за време на нејзиниот животен век, како што е 30 MWh, врз основа на специфичните работни услови.

★ Здравствената состојба (SoH) на батеријата го мери процентот на корисниот век што останува пред да достигне EoL.

Крива на поларизација

Кривата на празнење на батеријата се формира врз основа на ефектот на поларизација на батеријата што се јавува за време на процесот на празнење. Количината на енергија што може да ја обезбеди батеријата при различни работни услови, како што се C-стапка и работна температура, е тесно поврзана со областа под кривата на празнење. За време на процесот на празнење, Vt на батеријата ќе се намали. Намалувањето на Vt е поврзано со неколку главни фактори:

✔ IR пад - Намалувањето на напонот на батеријата предизвикано од струјата што минува низ внатрешниот отпор на батеријата. Овој фактор се зголемува линеарно при релативно висока стапка на празнење, со константна температура.

✔ Поларизација на активирање - се однесува на различни фактори на забавување поврзани со кинетиката на електрохемиските реакции, како што е работната функција што јоните мора да ја надминат на спојот помеѓу електродите и електролитите.

✔ Поларизација на концентрација - Овој фактор го зема предвид отпорот со кој се соочуваат јоните при пренос на маса (дифузија) од една електрода во друга. Овој фактор доминира кога литиум-јонските батерии се целосно испразнети, а наклонот на кривата станува многу стрм.

Кривата на поларизација (крива на празнење) на батеријата ги покажува кумулативните ефекти на намалувањето на IR, поларизацијата на активирањето и поларизацијата на концентрацијата на Vt (потенцијал на батеријата). (Слика: BioLogic)

Размислувања за кривата на празнење

Батериите се дизајнирани за широк опсег на апликации и обезбедуваат различни карактеристики на изведба. На пример, постојат најмалку шест основни хемиски системи на литиум јони, секој со свој уникатен сет на карактеристики. Кривата на празнење обично се црта со Vt на Y-оската, додека SoC (или DoD) е нацртана на X-оската. Поради корелацијата помеѓу перформансите на батеријата и различните параметри како што се C-стапка и работната температура, секој хемиски систем на батеријата има серија криви на празнење врз основа на специфични комбинации на работни параметри. На пример, следната слика ги споредува перформансите на празнење на два заеднички литиум-јонски хемиски системи и оловно-киселински батерии на собна температура и стапка на празнење 0,2C. Обликот на кривата на празнење е од големо значење за дизајнерите.

Рамната крива на празнење може да поедностави одредени дизајни на апликации, бидејќи напонот на батеријата останува релативно стабилен во текот на целиот циклус на празнење. Од друга страна, кривата на наклон може да ја поедностави проценката на преостанатото полнење, бидејќи напонот на батеријата е тесно поврзан со преостанатото полнење во батеријата. Меѓутоа, за литиум-јонските батерии со рамни криви на празнење, проценката на преостанатото полнење бара покомплексни методи, како што е броењето на Кулон, кое ја мери струјата на празнење на батеријата и ја интегрира струјата со текот на времето за да го процени преостанатото полнење.

Дополнително, батериите со надолни криви на празнење доживуваат намалување на моќноста во текот на целиот циклус на празнење. Може да биде потребна батерија со „вишок големина“ за поддршка на апликации со голема моќност на крајот од циклусот на празнење. Вообичаено е неопходно да се користи регулатор на зголемен напон за да се напојуваат чувствителни уреди и системи кои користат батерии со стрмни криви на празнење.

Следното е кривата на празнење на литиум-јонската батерија, која покажува дека ако батеријата се испразни со многу висока брзина (или обратно, со мала брзина), ефективниот капацитет ќе се намали (или се зголеми). Ова се нарекува поместување на капацитетот и овој ефект е вообичаен во повеќето системи за хемија на батериите.

Напонот и капацитетот на литиум-јонските батерии се намалуваат со зголемувањето на стапката на C. (Слика: Рихтек)

Работната температура е важен параметар кој влијае на перформансите на батеријата. При многу ниски температури, батериите со електролити на база на вода може да замрзнат, ограничувајќи ја долната граница на опсегот на нивната работна температура. Литиум јонските батерии може да доживеат негативно таложење на литиум на електрода при ниски температури, што трајно го намалува капацитетот. На високи температури, хемикалиите може да се распаднат и батеријата да престане да работи. Помеѓу замрзнување и хемиско оштетување, перформансите на батеријата обично значително се разликуваат со температурните промени.

На следната слика е прикажано влијанието на различните температури врз работата на литиум-јонските батерии. При многу ниски температури, перформансите може значително да се намалат. Сепак, кривата на празнење на батеријата е само еден аспект од перформансите на батеријата. На пример, колку е поголемо отстапувањето помеѓу работната температура на литиум-јонските батерии и собната температура (без разлика дали е при високи или ниски температури), толку е помал животниот век на циклусот. За специфични апликации, целосната анализа на сите фактори кои влијаат на применливоста на различни хемиски системи на батерии е надвор од опсегот на кривата на празнење батерии од овој член. Пример за други методи за анализа на перформансите на различни батерии е заплетот Лагоне.

Напонот и капацитетот на батеријата зависат од температурата. (Слика: Рихтек)

Лагонски парцели

Дијаграмот Lagoon ја споредува специфичната моќност и специфичната енергија на различни технологии за складирање енергија. На пример, кога се разгледуваат батериите на електричните возила, специфичната енергија е поврзана со опсегот, додека специфичната моќност одговара на перформансите за забрзување.

Рагонов дијаграм кој ја споредува врската помеѓу специфичната енергија и специфичната моќност на различни технологии. (Слика: Researchgate)

Дијаграмот на лагуната се заснова на густината на масовната енергија и густината на моќноста и не вклучува никакви информации поврзани со параметрите за волумен. Иако металургот Дејвид В. Лагоне ги разви овие графикони за да ги спореди перформансите на различни хемикалии на батерии, табелата Лагоне е исто така погодна за споредување на кој било сет на уреди за складирање енергија и енергија, како што се мотори, гасни турбини и горивни ќелии.

Односот помеѓу специфичната енергија на оската Y и специфичната моќност на оската X е бројот на часови кога уредот работи со номинална моќност. Големината на уредот не влијае на оваа врска, бидејќи поголемите уреди ќе имаат пропорционално поголема моќност и енергетски капацитет. Изохроната крива што претставува константно време на работа на дијаграмот Лагуна е права линија.

Резиме

Важно е да се разбере кривата на празнење на батеријата и различните параметри што го сочинуваат семејството на кривата на празнење поврзано со специфичната хемија на батериите. Поради сложените електрохемиски и термодинамички системи, кривите на празнење на батериите се исто така сложени, но тие се само начин да се разберат разменетите перформанси помеѓу различните хемикалии и структури на батериите.