Како прочитати криву пражњења батерије

Како прочитати криву пражњења батерије

Батерије су сложени електрохемијски и термодинамички системи и на њихов рад утиче више фактора. Наравно, хемија батерије је најважнији фактор. Међутим, када се разуме који тип батерије је најпогоднији за одређену примену, такође је неопходно узети у обзир факторе као што су брзина пражњења, радна температура, услови складиштења и детаљи физичке структуре. Прво, потребно је дефинисати неколико појмова:

★ Напон отвореног кола (Воц) је напон између терминала батерије када батерија није оптерећена.

★ Напон на терминалу (Вт) је напон између терминала батерије када се оптерећење примени на батерију; Обично ниже од Воц.

Прекидни напон (Вцо) је напон при којем је батерија потпуно испражњена, како је наведено. Иако обично постоји преостало напајање батерије, рад на напону испод Вцо може оштетити батерију.

★ Капацитет мери укупан ампер сати (АХ) које батерија може да обезбеди када је потпуно напуњена, док Вт не достигне Вцо.

Брзина пражњења (Ц-Рате) је брзина којом се батерија пуни или празни у односу на њен називни капацитет. На пример, брзина од 1Ц ће потпуно напунити или испразнити батерију у року од 1 сата. При брзини пражњења од 0,5Ц, батерија ће се потпуно испразнити у року од 2 сата. Коришћење веће Ц-Рате обично смањује расположиви капацитет батерије и може оштетити батерију.

★ Стање пуњења батерије (СоЦ) квантификује преостали капацитет батерије као проценат максималног капацитета. Када СоЦ достигне нулу и Вт достигне Вцо, у батерији може и даље бити преостало снаге батерије, али без оштећења батерије и утицаја на будући капацитет, батерија се не може даље празнити.

★ Дубина пражњења (ДоД) је додатак СоЦ-у, који мери проценат капацитета батерије која је испражњена; ДоД=100- СоЦ.

① Животни век је број доступних циклуса пре него што батерија достигне крај радног века.

Крај радног века батерије (ЕоЛ) се односи на немогућност батерије да ради у складу са унапред одређеним минималним спецификацијама. ЕоЛ се може квантификовати на различите начине:

① Смањење капацитета се заснива на датом проценту смањења капацитета батерије у поређењу са номиналним капацитетом под одређеним условима.

② Слабљење снаге се заснива на максималној снази батерије у датом проценту у поређењу са номиналном снагом под одређеним условима.

③ Проток енергије квантификује укупну количину енергије коју се очекује да батерија преради током свог животног века, као што је 30МВх, на основу специфичних услова рада.

★ Здравствени статус (СоХ) батерије мери проценат корисног века преосталог пре достизања ЕоЛ.

Крива поларизације

Крива пражњења батерије се формира на основу ефекта поларизације батерије који се јавља током процеса пражњења. Количина енергије коју батерија може да обезбеди под различитим радним условима, као што су Ц-стоп и радна температура, уско је повезана са површином испод криве пражњења. Током процеса пражњења, Вт батерије ће се смањити. Смањење Вт је повезано са неколико главних фактора:

✔ ИР пад - Смањење напона батерије узроковано струјом која пролази кроз унутрашњи отпор батерије. Овај фактор расте линеарно при релативно високој брзини пражњења, са константном температуром.

✔ Активациона поларизација – односи се на различите факторе успоравања који се односе на кинетику електрохемијских реакција, као што је радна функција коју јони морају савладати на споју између електрода и електролита.

✔ Концентрациона поларизација – Овај фактор узима у обзир отпор са којим се суочавају јони током преноса масе (дифузије) са једне електроде на другу. Овај фактор доминира када су литијум-јонске батерије потпуно испражњене, а нагиб кривине постаје веома стрм.

Крива поларизације (крива пражњења) батерије показује кумулативне ефекте смањења ИР, активационе поларизације и поларизације концентрације на Вт (потенцијал батерије). (Слика: БиоЛогиц)

Разматрања криве пражњења

Батерије су дизајниране за широк спектар примена и пружају различите карактеристике перформанси. На пример, постоји најмање шест основних литијум-јонских хемијских система, сваки са својим јединственим скупом карактеристика. Крива пражњења се обично исцртава са Вт на И-оси, док је СоЦ (или ДоД) нацртан на Кс-оси. Због корелације између перформанси батерије и различитих параметара као што су Ц-стоп и радна температура, сваки хемијски систем батерије има низ кривих пражњења заснованих на специфичним комбинацијама радних параметара. На пример, следећа слика упоређује перформансе пражњења два уобичајена литијум-јонска хемијска система и оловно-киселинских батерија на собној температури и брзини пражњења од 0,2Ц. Облик криве пражњења је од великог значаја за дизајнере.

Равна крива пражњења може поједноставити одређене дизајне апликација, пошто напон батерије остаје релативно стабилан током целог циклуса пражњења. С друге стране, крива нагиба може поједноставити процену преосталог наелектрисања, пошто је напон батерије уско повезан са преосталим наелектрисањем у батерији. Међутим, за литијум-јонске батерије са равним кривуљама пражњења, процена преосталог пуњења захтева сложеније методе, као што је Кулоново бројање, које мери струју пражњења батерије и интегрише струју током времена да би се проценило преостало пуњење.

Поред тога, батерије са нагнутим кривинама пражњења доживљавају смањење снаге током целог циклуса пражњења. Можда ће бити потребна батерија „вишка величине“ за подршку апликација велике снаге на крају циклуса пражњења. Обично је потребно користити регулатор напона појачања за напајање осетљивих уређаја и система који користе батерије са стрмим кривинама пражњења.

Следи крива пражњења литијум-јонске батерије, која показује да ако се батерија празни веома великом брзином (или обрнуто, малом брзином), ефективни капацитет ће се смањити (или повећати). Ово се зове померање капацитета и овај ефекат је уобичајен у већини хемијских система батерија.

Напон и капацитет литијум-јонских батерија опадају са повећањем Ц стопе. (Слика: Рицхтек)

Радна температура је важан параметар који утиче на перформансе батерије. На веома ниским температурама, батерије са електролитима на бази воде могу да се смрзну, ограничавајући доњу границу њиховог опсега радне температуре. Литијум-јонске батерије могу доживети таложење литијума на негативним електродама на ниским температурама, трајно смањујући капацитет. На високим температурама, хемикалије се могу распасти и батерија може престати да ради. Између смрзавања и хемијског оштећења, перформансе батерије обично значајно варирају са променама температуре.

Следећа слика приказује утицај различитих температура на перформансе литијум-јонских батерија. На веома ниским температурама, перформансе се могу значајно смањити. Међутим, крива пражњења батерије је само један аспект перформанси батерије. На пример, што је веће одступање између радне температуре литијум-јонских батерија и собне температуре (било на високим или ниским температурама), то је краћи век трајања циклуса. За специфичне примене, потпуна анализа свих фактора који утичу на применљивост различитих хемијских система батерија је ван оквира криве пражњења батерија у овом чланку. Пример других метода за анализу перформанси различитих батерија је Лагоне дијаграм.

Напон и капацитет батерије зависе од температуре. (Слика: Рицхтек)

Лагоне парцеле

Лагунски дијаграм упоређује специфичну снагу и специфичну енергију различитих технологија складиштења енергије. На пример, када се разматрају батерије електричних возила, специфична енергија је повезана са дометом, док специфична снага одговара перформансама убрзања.

Рагоне дијаграм који упоређује однос између специфичне енергије и специфичне снаге различитих технологија. (Слика: Ресеарцхгате)

Лагунски дијаграм је заснован на густини енергије масе и густини снаге и не укључује никакве информације везане за параметре запремине. Иако је металург Давид В. Лагоне развио ове графиконе да упореди перформансе различитих хемијских састава батерија, Лагоне графикон је такође погодан за поређење било ког скупа уређаја за складиштење енергије и енергије, као што су мотори, гасне турбине и горивне ћелије.

Однос између специфичне енергије на И-оси и специфичне снаге на Кс-оси је број сати у којима уређај ради при називној снази. Величина уређаја не утиче на овај однос, јер ће већи уређаји имати пропорционално већу снагу и енергетски капацитет. Изохрона крива која представља константно време рада на дијаграму Лагуне је права линија.

Резиме

Важно је разумети криву пражњења батерије и различите параметре који чине породицу криве пражњења у вези са специфичном хемијом батерије. Због сложених електрохемијских и термодинамичких система, криве пражњења батерија су такође сложене, али оне су само начин да се разумеју компромиси између различитих хемија и структура батерија.