Як читати криву розряду акумулятора

Як читати криву розряду акумулятора

Акумулятори – це складні електрохімічні та термодинамічні системи, і на їх роботу впливає безліч факторів. Звичайно, хімічний склад батареї є найважливішим фактором. Однак, розуміючи, який тип батареї найбільше підходить для конкретного застосування, також необхідно враховувати такі фактори, як швидкість розряду заряду, робоча температура, умови зберігання та деталі фізичної структури. По-перше, необхідно визначити кілька термінів:

★ Напруга холостого ходу (Voc) – це напруга між клемами батареї, коли на батарею немає навантаження.

★ Напруга на клемах (Vt) — напруга між клемами батареї при навантаженні на батарею; Зазвичай нижче, ніж Voc.

Напруга відключення (Vco) — це напруга, при якій акумулятор повністю розряджається, як зазначено. Хоча заряд акумулятора зазвичай залишається, робота при напрузі нижче Vco може пошкодити акумулятор.

★ Ємність вимірює загальну кількість ампер-годин (AH), яку акумулятор може забезпечити, коли він повністю заряджений, поки Vt не досягне Vco.

Швидкість заряду і розряду (C-Rate) — це швидкість, з якою акумулятор заряджається або розряджається відносно його номінальної ємності. Наприклад, показник 1C повністю зарядить або розрядить акумулятор протягом 1 години. При швидкості розряду 0,5C акумулятор повністю розрядиться протягом 2 годин. Використання вищого C-Rate зазвичай зменшує доступну ємність акумулятора та може пошкодити акумулятор.

★ Стан заряду батареї (SoC) визначає залишок ємності батареї у відсотках від максимальної ємності. Коли SoC досягає нуля, а Vt досягає Vco, в батареї все ще може залишатися заряд батареї, але без пошкодження батареї та впливу на майбутню ємність батарею неможливо розряджати далі.

★ Глибина розряду (DoD) є доповненням до SoC, який вимірює відсоток ємності акумулятора, який був розряджений; DoD=100- SoC.

① Термін служби батареї – це кількість доступних циклів до того, як батарея закінчить термін служби.

Кінець терміну служби батареї (EoL) означає нездатність батареї працювати відповідно до попередньо визначених мінімальних характеристик. EoL можна кількісно визначити різними способами:

① Зниження ємності базується на заданому процентному зменшенні ємності батареї порівняно з номінальною ємністю за певних умов.

② Зниження потужності базується на максимальній потужності батареї в заданому відсотку порівняно з номінальною потужністю за певних умов.

③ Пропускна здатність енергії визначає загальну кількість енергії, яку, як очікується, обробить батарея протягом свого терміну служби, наприклад 30 МВт·год, залежно від конкретних умов експлуатації.

★ Стан працездатності (SoH) батареї вимірює відсоток корисного ресурсу, що залишився до досягнення EoL.

Поляризаційна крива

Крива розряду батареї формується на основі ефекту поляризації батареї, що виникає в процесі розряду. Кількість енергії, яку може забезпечити батарея за різних робочих умов, таких як рівень C і робоча температура, тісно пов’язана з площею під кривою розряду. У процесі розряду Vt батареї буде знижуватися. Зниження Vt пов'язане з кількома основними факторами:

✔ ІЧ падіння - Зниження напруги батареї, спричинене проходженням струму через внутрішній опір батареї. Цей коефіцієнт лінійно зростає при відносно високій швидкості розряду при постійній температурі.

✔ Поляризація активації – це різні фактори уповільнення, пов’язані з кінетикою електрохімічних реакцій, наприклад робота виходу, яку іони повинні подолати на стику між електродами та електролітами.

✔ Концентраційна поляризація - цей коефіцієнт враховує опір, з яким стикаються іони під час перенесення маси (дифузії) від одного електрода до іншого. Цей фактор домінує, коли літій-іонні акумулятори повністю розряджені, і нахил кривої стає дуже крутим.

Поляризаційна крива (крива розряду) батареї показує кумулятивні ефекти зменшення ІЧ, поляризації активації та поляризації концентрації на Vt (потенціал батареї). (Зображення: BioLogic)

Розгляд кривої розряду

Батареї були розроблені для широкого спектру застосувань і забезпечують різні робочі характеристики. Наприклад, існує щонайменше шість основних літій-іонних хімічних систем, кожна з яких має свій унікальний набір функцій. Крива розряду зазвичай будується з Vt на осі Y, тоді як SoC (або DoD) наноситься на вісь X. Завдяки кореляції між продуктивністю батареї та різними параметрами, такими як коефіцієнт C і робоча температура, кожна хімічна система батареї має серію кривих розряду на основі конкретних комбінацій робочих параметрів. Наприклад, на наступному малюнку порівнюється продуктивність розряду двох поширених літій-іонних хімічних систем і свинцево-кислотних акумуляторів за кімнатної температури та швидкості розряду 0,2C. Форма розрядної кривої має велике значення для проектувальників.

Плоска крива розряду може спростити певні схеми застосування, оскільки напруга акумулятора залишається відносно стабільною протягом усього циклу розряду. З іншого боку, крива нахилу може спростити оцінку залишкового заряду, оскільки напруга акумулятора тісно пов’язана із залишковим зарядом акумулятора. Однак для літій-іонних акумуляторів із плоскими кривими розряду оцінка залишкового заряду вимагає складніших методів, таких як підрахунок Кулона, який вимірює розрядний струм батареї та інтегрує струм у часі для оцінки залишкового заряду.

Крім того, акумулятори з низхідними кривими розряду відчувають зниження потужності протягом усього циклу розряду. У кінці циклу розряду може знадобитися батарея «надлишкового розміру» для підтримки потужних програм. Зазвичай необхідно використовувати стабілізатор напруги підвищення для живлення чутливих пристроїв і систем, що використовують батареї з крутими кривими розряду.

Нижче наведена крива розряду літій-іонної батареї, яка показує, що якщо акумулятор розряджається з дуже високою швидкістю (або навпаки, з низькою швидкістю), ефективна ємність зменшиться (або збільшиться). Це називається зміщенням ємності, і цей ефект є поширеним у більшості систем хімії акумуляторів.

Напруга і ємність літій-іонних акумуляторів зменшуються зі збільшенням C. (Зображення: Richtek)

Робоча температура є важливим параметром, який впливає на продуктивність акумулятора. За дуже низьких температур батареї з електролітами на водній основі можуть замерзнути, обмежуючи нижню межу діапазону робочих температур. Літій-іонні батареї можуть відчувати відкладення літію на негативному електроді за низьких температур, що остаточно зменшує ємність. При високих температурах хімічні речовини можуть розкластися, і акумулятор може перестати працювати. Від замерзання до хімічного пошкодження продуктивність батареї зазвичай значно змінюється залежно від температурних змін.

На наступному малюнку показано вплив різних температур на продуктивність літій-іонних батарей. При дуже низьких температурах продуктивність може значно знизитися. Однак крива розряду батареї є лише одним з аспектів продуктивності батареї. Наприклад, чим більше відхилення між робочою температурою літій-іонних акумуляторів і кімнатною температурою (як при високих, так і при низьких температурах), тим менший термін служби. Для конкретних застосувань повний аналіз усіх факторів, що впливають на застосовність різних хімічних систем акумулятора, виходить за рамки кривої розряду акумулятора в цій статті. Прикладом інших методів аналізу продуктивності різних батарей є графік Лагона.

Напруга та ємність акумулятора залежать від температури. (Зображення: Richtek)

Лагонні ділянки

Діаграма Lagoon порівнює питому потужність і питому енергію різних технологій зберігання енергії. Наприклад, якщо розглядати батареї електромобілів, питома енергія пов’язана з запасом ходу, тоді як питома потужність відповідає характеристикам прискорення.

Діаграма Рагона, що порівнює співвідношення між питомою енергією та питомою потужністю різних технологій. (Зображення: Researchgate)

Діаграма Lagoon базується на масовій щільності енергії та щільності потужності та не містить жодної інформації, пов’язаної з параметрами об’єму. Хоча металург Девід В. Лагон розробив ці діаграми для порівняння ефективності різних хімічних елементів акумулятора, діаграма Лагона також підходить для порівняння будь-якого набору накопичувачів енергії та енергетичних пристроїв, таких як двигуни, газові турбіни та паливні елементи.

Співвідношення між питомою енергією по осі Y і питомою потужністю по осі X є кількістю годин, протягом яких пристрій працює на номінальній потужності. Розмір пристрою не впливає на це співвідношення, оскільки більші пристрої матимуть пропорційно більшу потужність і енергоємність. Ізохронна крива, що представляє постійний час роботи на діаграмі Lagoon, є прямою лінією.

Резюме

Важливо розуміти криву розряду батареї та різні параметри, які складають сімейство кривих розряду, пов’язані з конкретним хімічним складом батареї. Через складні електрохімічні та термодинамічні системи криві розряду акумуляторів також є складними, але вони є лише способом зрозуміти компроміси продуктивності між різними хімікатами та структурами акумуляторів.