Как прочитать кривую разряда аккумулятора

Как прочитать кривую разряда аккумулятора

Аккумуляторы представляют собой сложные электрохимические и термодинамические системы, и на их работу влияет множество факторов. Конечно, химический состав батареи является наиболее важным фактором. Однако, чтобы понять, какой тип батареи наиболее подходит для конкретного применения, необходимо также учитывать такие факторы, как скорость заряда-разряда, рабочая температура, условия хранения и детали физической структуры. Прежде всего, необходимо определить несколько терминов:

★ Напряжение холостого хода (Voc) — это напряжение между клеммами аккумулятора при отсутствии нагрузки на аккумулятор.

★ Напряжение на клеммах (Вт) — это напряжение между клеммами аккумулятора при приложении нагрузки к аккумулятору; Обычно ниже, чем Voc.

Напряжение отключения (Vco) — это напряжение, при котором аккумулятор полностью разряжается, как указано. Хотя обычно заряд батареи остается, работа при напряжении ниже Vco может привести к повреждению батареи.

★ Емкость измеряет общее количество ампер-часов (Ач), которое может обеспечить аккумулятор при полной зарядке, пока Vt не достигнет Vco.

Скорость заряда-разряда (C-Rate) — это скорость, с которой аккумулятор заряжается или разряжается относительно его номинальной емкости. Например, скорость 1С позволит полностью зарядить или разрядить аккумулятор за 1 час. При скорости разряда 0,5С аккумулятор полностью разряжается за 2 часа. Использование более высокого значения C-Rate обычно снижает доступную емкость аккумулятора и может привести к его повреждению.

★ Состояние зарядки аккумулятора (SoC) определяет оставшуюся емкость аккумулятора в процентах от максимальной емкости. Когда SoC достигает нуля, а Vt достигает Vco, в батарее все еще может оставаться заряд батареи, но без повреждения батареи и влияния на будущую емкость батарею нельзя разряжать дальше.

★ Глубина разряда (DoD) — это дополнение к SoC, которое измеряет процент разряженной емкости аккумулятора; DoD=100- SoC.

① Срок службы — это количество доступных циклов до того, как аккумулятор достигнет конца срока службы.

Окончание срока службы батареи (EoL) означает неспособность батареи работать в соответствии с заранее установленными минимальными техническими характеристиками. EoL можно определить количественно различными способами:

① Снижение емкости основано на заданном процентном уменьшении емкости аккумулятора по сравнению с номинальной емкостью при определенных условиях.

② Ослабление мощности основано на максимальной мощности аккумулятора в заданном процентном соотношении к номинальной мощности в определенных условиях.

③ Пропускная способность энергии определяет общее количество энергии, которое батарея должна обработать в течение своего срока службы, например 30 МВтч, в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

★ Состояние работоспособности (SoH) аккумулятора измеряет процент оставшегося срока службы до достижения EoL.

Поляризационная кривая

Кривая разряда аккумулятора формируется на основе эффекта поляризации аккумулятора, возникающего в процессе разряда. Количество энергии, которую батарея может обеспечить в различных условиях эксплуатации, таких как уровень C и рабочая температура, тесно связано с площадью под кривой разряда. В процессе разряда Vt аккумулятора будет уменьшаться. Снижение Vt связано с несколькими основными факторами:

✔ IR падение — снижение напряжения батареи, вызванное прохождением тока через внутреннее сопротивление батареи. Этот коэффициент увеличивается линейно при относительно высокой скорости разряда и постоянной температуре.

✔ Активационная поляризация – относится к различным факторам замедления, связанным с кинетикой электрохимических реакций, например, к работе выхода, которую ионы должны преодолеть в месте соединения электродов и электролитов.

✔ Концентрационная поляризация. Этот фактор учитывает сопротивление, с которым сталкиваются ионы во время массопереноса (диффузии) от одного электрода к другому. Этот фактор доминирует, когда литий-ионные аккумуляторы полностью разряжены, и наклон кривой становится очень крутым.

Кривая поляризации (кривая разряда) батареи показывает совокупное влияние снижения ИК, активационной поляризации и концентрационной поляризации на Vt (потенциал батареи). (Изображение: BioLogic)

Рекомендации по кривой разряда

Аккумуляторы предназначены для широкого спектра применений и обладают различными эксплуатационными характеристиками. Например, существует как минимум шесть основных литий-ионных химических систем, каждая из которых имеет свой уникальный набор функций. Кривая разряда обычно отображается с помощью Vt на оси Y, а SoC (или DoD) — на оси X. Из-за корреляции между производительностью аккумулятора и различными параметрами, такими как уровень C и рабочая температура, каждая химическая система аккумулятора имеет ряд кривых разряда, основанных на определенных комбинациях рабочих параметров. Например, на следующем рисунке сравниваются характеристики разряда двух распространенных литий-ионных химических систем и свинцово-кислотных батарей при комнатной температуре и скорости разряда 0,2C. Форма кривой разряда имеет большое значение для проектировщиков.

Плоская кривая разряда может упростить некоторые конструкции приложений, поскольку напряжение батареи остается относительно стабильным на протяжении всего цикла разрядки. С другой стороны, наклон кривой может упростить оценку остаточного заряда, поскольку напряжение батареи тесно связано с остаточным зарядом батареи. Однако для литий-ионных батарей с плоскими кривыми разряда оценка остаточного заряда требует более сложных методов, таких как кулоновский подсчет, который измеряет ток разряда батареи и интегрирует ток с течением времени для оценки остаточного заряда.

Кроме того, у аккумуляторов с нисходящими кривыми разряда наблюдается снижение мощности на протяжении всего цикла разряда. Батарея «избыточного размера» может потребоваться для поддержки мощных приложений в конце цикла разрядки. Обычно необходимо использовать повышающий стабилизатор напряжения для питания чувствительных устройств и систем, использующих батареи с крутыми кривыми разряда.

Ниже приведена кривая разряда литий-ионного аккумулятора, которая показывает, что если аккумулятор разряжается с очень высокой скоростью (или наоборот, с низкой скоростью), эффективная емкость будет уменьшаться (или увеличиваться). Это называется сдвигом емкости, и этот эффект характерен для большинства химических систем аккумуляторов.

Напряжение и емкость литий-ионных аккумуляторов уменьшаются с увеличением скорости C. (Изображение: Ричтек)

Рабочая температура – ​​важный параметр, влияющий на работоспособность аккумулятора. При очень низких температурах аккумуляторы с электролитами на водной основе могут замерзнуть, что ограничивает нижний предел их рабочего температурного диапазона. Литий-ионные аккумуляторы могут подвергаться отложению лития на отрицательном электроде при низких температурах, что приводит к постоянному снижению емкости. При высоких температурах химические вещества могут разложиться, и аккумулятор может перестать работать. При замерзании и химическом повреждении производительность аккумулятора обычно значительно меняется в зависимости от изменения температуры.

На следующем рисунке показано влияние различных температур на производительность литий-ионных аккумуляторов. При очень низких температурах производительность может значительно снизиться. Однако кривая разряда батареи — это только один аспект производительности батареи. Например, чем больше отклонение между рабочей температурой литий-ионных аккумуляторов и комнатной температурой (как при высоких, так и при низких температурах), тем меньше срок службы. Для конкретных применений полный анализ всех факторов, влияющих на применимость различных химических систем аккумуляторов, выходит за рамки кривой разряда аккумулятора в этой статье. Примером других методов анализа производительности различных аккумуляторов является график Лагона.

Напряжение и емкость аккумулятора зависят от температуры. (Изображение: Ричтек)

Участки Лагона

Диаграмма Лагуны сравнивает удельную мощность и удельную энергию различных технологий хранения энергии. Например, при рассмотрении аккумуляторов электромобилей удельная энергия связана с запасом хода, а удельная мощность соответствует характеристикам ускорения.

Диаграмма Рагона, сравнивающая взаимосвязь между удельной энергией и удельной мощностью различных технологий. (Изображение: Researchgate)

Диаграмма Лагуны основана на плотности энергии массы и плотности мощности и не включает никакой информации, связанной с параметрами объема. Хотя металлург Дэвид В. Лагон разработал эти диаграммы для сравнения характеристик различных химических элементов аккумуляторов, диаграмма Лагона также подходит для сравнения любого набора накопителей энергии и энергетических устройств, таких как двигатели, газовые турбины и топливные элементы.

Отношение удельной энергии по оси Y к удельной мощности по оси X представляет собой количество часов, в течение которых устройство работает при номинальной мощности. Размер устройства не влияет на это соотношение, поскольку более крупные устройства будут иметь пропорционально более высокую мощность и энергоемкость. Изохронная кривая, представляющая постоянное время работы на диаграмме Лагуна, представляет собой прямую линию.

Краткое содержание

Важно понимать кривую разряда аккумулятора и различные параметры, составляющие семейство кривых разряда, связанные с конкретным химическим составом аккумулятора. Из-за сложных электрохимических и термодинамических систем кривые разряда аккумуляторов также являются сложными, но они являются лишь способом понять компромиссные характеристики между различными химическими составами и структурами аккумуляторов.