Sådan aflæses batteriafladningskurven

Sådan aflæses batteriafladningskurven

Batterier er komplekse elektrokemiske og termodynamiske systemer, og flere faktorer påvirker deres ydeevne. Batterikemi er naturligvis den vigtigste faktor. Men når man forstår, hvilken type batteri der er bedst egnet til en specifik applikation, er det også nødvendigt at overveje faktorer som afladningshastighed, driftstemperatur, opbevaringsforhold og fysiske strukturdetaljer. For det første skal flere begreber defineres:

★ Open circuit voltage (Voc) er spændingen mellem batteripolerne, når der ikke er nogen belastning på batteriet.

★ Terminalspænding (Vt) er spændingen mellem batteripolerne, når belastningen påføres batteriet; Normalt lavere end Voc.

Afskæringsspændingen (Vco) er den spænding, ved hvilken batteriet er helt afladet, som specificeret. Selvom der normalt er batteristrøm tilbage, kan drift ved en spænding under Vco beskadige batteriet.

★ Kapaciteten måler de samlede amperetimer (AH), som et batteri kan levere, når det er fuldt opladet, indtil Vt når Vco.

Ladningsafladningshastigheden (C-Rate) er den hastighed, hvormed et batteri oplades eller aflades i forhold til dets nominelle kapacitet. For eksempel vil en hastighed på 1C fuldt oplade eller aflade batteriet inden for 1 time. Ved en afladningshastighed på 0,5C aflades batteriet helt inden for 2 timer. Brug af en højere C-rate reducerer normalt den tilgængelige batterikapacitet og kan beskadige batteriet.

★ Batteriopladningstilstanden (SoC) kvantificerer den resterende batterikapacitet som en procentdel af den maksimale kapacitet. Når SoC når nul, og Vt når Vco, kan der stadig være batteristrøm tilbage i batteriet, men uden at beskadige batteriet og påvirke fremtidig kapacitet, kan batteriet ikke aflades yderligere.

★ Afladningsdybde (DoD) er et supplement til SoC, som måler procentdelen af ​​batterikapaciteten, der er blevet afladet; DoD=100- SoC.

① Cykluslevetiden er antallet af tilgængelige cyklusser, før batteriet når slutningen af ​​levetiden.

Slut på batterilevetid (EoL) henviser til batteriets manglende evne til at fungere i henhold til de forudbestemte minimumsspecifikationer. EoL kan kvantificeres på forskellige måder:

① Kapacitetsfald er baseret på det givne procentvise fald i batterikapacitet sammenlignet med nominel kapacitet under specificerede forhold.

② Strømdæmpning er baseret på batteriets maksimale effekt ved en given procentdel sammenlignet med den nominelle effekt under specificerede forhold.

③ Energigennemstrømningen kvantificerer den samlede mængde energi, som et batteri forventes at behandle i løbet af dets levetid, såsom 30MWh, baseret på specifikke driftsforhold.

★ Batteriets sundhedsstatus (SoH) måler procentdelen af ​​den resterende levetid, før den når EoL.

Polarisationskurve

Batteriafladningskurven dannes ud fra batteriets polarisationseffekt, der opstår under afladningsprocessen. Mængden af ​​energi, som et batteri kan levere under forskellige driftsforhold, såsom C-rate og driftstemperatur, er tæt forbundet med arealet under afladningskurven. Under afladningsprocessen vil Vt af batteriet falde. Faldet i Vt er relateret til flere hovedfaktorer:

✔ IR-fald - Faldet i batterispænding forårsaget af strømmen, der passerer gennem batteriets indre modstand. Denne faktor stiger lineært ved en relativt høj udledningshastighed med en konstant temperatur.

✔ Aktiveringspolarisering - refererer til forskellige decelerationsfaktorer relateret til kinetikken af ​​elektrokemiske reaktioner, såsom arbejdsfunktionen, som ioner skal overvinde ved overgangen mellem elektroder og elektrolytter.

✔ Koncentration polarisation - Denne faktor tager højde for den modstand, som ioner møder under masseoverførsel (diffusion) fra en elektrode til en anden. Denne faktor dominerer, når lithium-ion-batterier er helt afladet, og kurvens hældning bliver meget stejl.

Batteriets polarisationskurve (afladningskurven) viser de kumulative effekter af IR-fald, aktiveringspolarisering og koncentrationspolarisering på Vt (batteripotentiale). (Billede: BioLogic)

Overvejelser om udledningskurve

Batterier er designet til en bred vifte af applikationer og giver forskellige ydeevneegenskaber. For eksempel er der mindst seks grundlæggende lithium-ion kemiske systemer, hver med sit eget unikke funktionssæt. Udladningskurven er normalt plottet med Vt på Y-aksen, mens SoC (eller DoD) er plottet på X-aksen. På grund af korrelationen mellem batteriets ydeevne og forskellige parametre, såsom C-rate og driftstemperatur, har hvert batterikemiske system en række afladningskurver baseret på specifikke kombinationer af driftsparametre. For eksempel sammenligner følgende figur afladningsydelsen af ​​to almindelige lithium-ion kemiske systemer og bly-syre batterier ved stuetemperatur og 0,2C afladningshastighed. Formen på udledningskurven er af stor betydning for designere.

En flad afladningskurve kan forenkle visse applikationsdesigns, da batterispændingen forbliver relativt stabil gennem hele afladningscyklussen. Til gengæld kan hældningskurven forenkle estimeringen af ​​restladning, da batterispændingen er tæt forbundet med restladningen i batteriet. Men for lithium-ion-batterier med flade afladningskurver kræver estimering af restladning mere komplekse metoder, såsom Coulomb-tælling, som måler batteriets afladningsstrøm og integrerer strømmen over tid for at estimere restladning.

Derudover oplever batterier med nedadgående afladningskurver et fald i effekt gennem hele afladningscyklussen. Et batteri med "overskydende størrelse" kan være påkrævet for at understøtte højeffektapplikationer ved afslutningen af ​​afladningscyklussen. Det er normalt nødvendigt at bruge en boostspændingsregulator til at forsyne følsomme enheder og systemer med batterier med stejle afladningskurver.

Det følgende er afladningskurven for et lithium-ion-batteri, som viser, at hvis batteriet aflades med en meget høj hastighed (eller omvendt, med en lav hastighed), vil den effektive kapacitet falde (eller stige). Dette kaldes kapacitetsskift, og denne effekt er almindelig i de fleste batterikemisystemer.

Spændingen og kapaciteten af ​​lithium-ion-batterier falder med stigningen i C-hastigheden. (Billede: Richtek)

Arbejdstemperatur er en vigtig parameter, der påvirker batteriets ydeevne. Ved meget lave temperaturer kan batterier med vandbaserede elektrolytter fryse, hvilket begrænser den nedre grænse for deres driftstemperaturområde. Lithium-ion-batterier kan opleve negativ elektrode-lithiumaflejring ved lave temperaturer, hvilket permanent reducerer kapaciteten. Ved høje temperaturer kan kemikalier nedbrydes, og batteriet kan holde op med at fungere. Mellem frysning og kemisk skade varierer batteriets ydeevne typisk betydeligt med temperaturændringer.

Følgende figur viser indflydelsen af ​​forskellige temperaturer på ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier. Ved meget lave temperaturer kan ydeevnen falde betydeligt. Batteriafladningskurven er dog kun ét aspekt af batteriets ydeevne. For eksempel, jo større afvigelsen mellem driftstemperaturen for lithium-ion-batterier og rumtemperaturen (uanset om det er ved høje eller lave temperaturer), jo lavere er cykluslevetiden. For specifikke applikationer er en komplet analyse af alle faktorer, der påvirker anvendeligheden af ​​forskellige batterikemiske systemer, uden for rækkevidden af ​​denne artikels batteriafladningskurve. Et eksempel på andre metoder til at analysere ydeevnen af ​​forskellige batterier er Lagone-plottet.

Batterispændingen og kapaciteten afhænger af temperaturen. (Billede: Richtek)

Lagone grunde

Lagunediagrammet sammenligner den specifikke effekt og specifikke energi fra forskellige energilagringsteknologier. For eksempel, når man overvejer elbilbatterier, er specifik energi relateret til rækkevidde, mens specifik effekt svarer til accelerationsydelse.

Et Ragone-diagram, der sammenligner forholdet mellem specifik energi og specifik effekt af forskellige teknologier. (Billede: Researchgate)

Lagunediagrammet er baseret på masseenergitæthed og effekttæthed og inkluderer ingen information relateret til volumenparametre. Selvom metallurg David V. Lagone udviklede disse diagrammer for at sammenligne ydeevnen af ​​forskellige batterikemi, er Lagone-diagrammet også velegnet til at sammenligne ethvert sæt af energilagrings- og energienheder, såsom motorer, gasturbiner og brændselsceller.

Forholdet mellem den specifikke energi på Y-aksen og den specifikke effekt på X-aksen er det antal timer, enheden fungerer ved nominel effekt. Enhedens størrelse påvirker ikke dette forhold, da større enheder vil have forholdsmæssigt højere effekt- og energikapacitet. Den isokrone kurve, der repræsenterer konstant driftstid på lagunediagrammet, er en ret linje.

Resumé

Det er vigtigt at forstå et batteris afladningskurve og de forskellige parametre, der udgør afladningskurvefamilien relateret til specifik batterikemi. På grund af de komplekse elektrokemiske og termodynamiske systemer er batteriernes afladningskurver også komplekse, men de er kun en måde at forstå ydeevneafvejningen mellem forskellige batterikemi og -strukturer.