Cum se citește curba de descărcare a bateriei

Cum se citește curba de descărcare a bateriei

Bateriile sunt sisteme electrochimice și termodinamice complexe, iar mai mulți factori le afectează performanța. Desigur, chimia bateriei este cel mai important factor. Cu toate acestea, atunci când înțelegeți ce tip de baterie este cel mai potrivit pentru o aplicație specifică, este necesar să luați în considerare și factori precum rata de descărcare a încărcăturii, temperatura de funcționare, condițiile de depozitare și detaliile structurii fizice. În primul rând, trebuie definiți mai mulți termeni:

★ Tensiunea în circuit deschis (Voc) este tensiunea dintre bornele bateriei atunci când bateria nu este încărcată.

★ Tensiunea la borne (Vt) este tensiunea dintre bornele bateriei atunci când sarcina este aplicată bateriei; De obicei mai mic decât Voc.

Tensiunea de întrerupere (Vco) este tensiunea la care bateria este complet descărcată, conform specificațiilor. Deși, de obicei, rămâne puterea bateriei, funcționarea la o tensiune sub Vco poate deteriora bateria.

★ Capacitatea măsoară amperi-ore totale (AH) pe care o baterie îi poate furniza atunci când este complet încărcată, până când Vt atinge Vco.

Rata de descărcare a încărcării (C-Rate) este rata la care o baterie este încărcată sau descărcată în raport cu capacitatea sa nominală. De exemplu, o rată de 1C va încărca sau descărca complet bateria în decurs de 1 oră. La o rată de descărcare de 0,5C, bateria se va descărca complet în 2 ore. Utilizarea unui C-Rate mai mare reduce de obicei capacitatea disponibilă a bateriei și poate deteriora bateria.

★ Starea de încărcare a bateriei (SoC) cuantifică capacitatea rămasă a bateriei ca procent din capacitatea maximă. Când SoC ajunge la zero și Vt ajunge la Vco, este posibil să mai rămână puterea bateriei în baterie, dar fără a deteriora bateria și a afecta capacitatea viitoare, bateria nu poate fi descărcată în continuare.

★ Adâncimea de descărcare (DoD) este o completare a SoC, care măsoară procentul din capacitatea bateriei care a fost descărcată; DoD=100- SoC.

① Durata de viață este numărul de cicluri disponibile înainte ca bateria să ajungă la sfârșitul duratei de viață.

Sfârșitul duratei de viață a bateriei (EoL) se referă la incapacitatea bateriei de a funcționa conform specificațiilor minime predeterminate. EoL poate fi cuantificată în mai multe moduri:

① Scăderea capacității se bazează pe scăderea procentuală dată a capacității bateriei în comparație cu capacitatea nominală în condiții specificate.

② Atenuarea puterii se bazează pe puterea maximă a bateriei la un anumit procent în comparație cu puterea nominală în condiții specificate.

③ Debitul de energie cuantifică cantitatea totală de energie pe care se așteaptă să o proceseze o baterie pe durata de viață, cum ar fi 30 MWh, pe baza unor condiții de operare specifice.

★ Starea de sănătate (SoH) a bateriei măsoară procentul de viață utilă rămasă înainte de a ajunge la EoL.

Curba de polarizare

Curba de descărcare a bateriei se formează pe baza efectului de polarizare al bateriei care are loc în timpul procesului de descărcare. Cantitatea de energie pe care o poate furniza o baterie în diferite condiții de funcționare, cum ar fi rata C și temperatura de funcționare, este strâns legată de aria de sub curba de descărcare. În timpul procesului de descărcare, Vt-ul bateriei va scădea. Scăderea Vt este legată de mai mulți factori principali:

✔ Cădere IR - Scăderea tensiunii bateriei cauzată de curentul care trece prin rezistența internă a bateriei. Acest factor crește liniar la o rată de descărcare relativ mare, cu o temperatură constantă.

✔ Polarizarea de activare – se referă la diverși factori de decelerare legați de cinetica reacțiilor electrochimice, cum ar fi funcția de lucru pe care ionii trebuie să o depășească la joncțiunea dintre electrozi și electroliți.

✔ Polarizarea concentrației - Acest factor ia în considerare rezistența cu care se confruntă ionii în timpul transferului de masă (difuzie) de la un electrod la altul. Acest factor domină atunci când bateriile litiu-ion sunt complet descărcate, iar panta curbei devine foarte abruptă.

Curba de polarizare (curba de descărcare) a bateriei arată efectele cumulate ale scăderii IR, polarizării de activare și polarizării concentrației pe Vt (potenţialul bateriei). (Imagine: BioLogic)

Considerații despre curba de descărcare

Bateriile au fost proiectate pentru o gamă largă de aplicații și oferă diverse caracteristici de performanță. De exemplu, există cel puțin șase sisteme chimice de bază cu ioni de litiu, fiecare cu propriul set de caracteristici unice. Curba de descărcare este de obicei trasată cu Vt pe axa Y, în timp ce SoC (sau DoD) este reprezentată pe axa X. Datorită corelației dintre performanța bateriei și diferiți parametri, cum ar fi rata C și temperatura de funcționare, fiecare sistem chimic al bateriei are o serie de curbe de descărcare bazate pe combinații specifice de parametri de funcționare. De exemplu, următoarea figură compară performanța de descărcare a două sisteme chimice litiu-ion obișnuite și baterii cu plumb-acid la temperatura camerei și rata de descărcare de 0,2C. Forma curbei de descărcare este de mare importanță pentru proiectanți.

O curbă de descărcare plată poate simplifica anumite proiecte de aplicații, deoarece tensiunea bateriei rămâne relativ stabilă pe parcursul întregului ciclu de descărcare. Pe de altă parte, curba pantei poate simplifica estimarea încărcării reziduale, deoarece tensiunea bateriei este strâns legată de sarcina reziduală din baterie. Cu toate acestea, pentru bateriile litiu-ion cu curbe de descărcare plate, estimarea încărcării reziduale necesită metode mai complexe, cum ar fi numărarea Coulomb, care măsoară curentul de descărcare al bateriei și integrează curentul în timp pentru a estima încărcarea reziduală.

În plus, bateriile cu curbe de descărcare înclinate în jos înregistrează o scădere a puterii pe parcursul întregului ciclu de descărcare. Poate fi necesară o baterie de „dimensiune în exces” pentru a suporta aplicații de mare putere la sfârșitul ciclului de descărcare. De obicei, este necesar să folosiți un regulator de tensiune de amplificare pentru a alimenta dispozitivele și sistemele sensibile care utilizează baterii cu curbe de descărcare abrupte.

Urmează curba de descărcare a unei baterii litiu-ion, care arată că dacă bateria este descărcată la o rată foarte mare (sau invers, la o rată scăzută), capacitatea efectivă va scădea (sau va crește). Aceasta se numește schimbare de capacitate și acest efect este comun în majoritatea sistemelor chimice ale bateriilor.

Tensiunea și capacitatea bateriilor litiu-ion scad odată cu creșterea ratei C. (Imagine: Richtek)

Temperatura de lucru este un parametru important care afectează performanța bateriei. La temperaturi foarte scăzute, bateriile cu electroliți pe bază de apă pot îngheța, limitând limita inferioară a intervalului lor de temperatură de funcționare. Bateriile cu ioni de litiu pot experimenta depunerea de litiu la electrozi negativi la temperaturi scăzute, reducând permanent capacitatea. La temperaturi ridicate, substanțele chimice se pot descompune și bateria poate înceta să funcționeze. Între îngheț și deteriorarea chimică, performanța bateriei variază de obicei semnificativ în funcție de schimbările de temperatură.

Următoarea figură arată impactul diferitelor temperaturi asupra performanței bateriilor litiu-ion. La temperaturi foarte scăzute, performanța poate scădea semnificativ. Cu toate acestea, curba de descărcare a bateriei este doar un aspect al performanței bateriei. De exemplu, cu cât este mai mare abaterea dintre temperatura de funcționare a bateriilor litiu-ion și temperatura camerei (fie la temperaturi ridicate sau scăzute), cu atât durata de viață a ciclului este mai mică. Pentru aplicații specifice, o analiză completă a tuturor factorilor care afectează aplicabilitatea diferitelor sisteme chimice ale bateriei depășește domeniul de aplicare al curbei de descărcare a bateriei din acest articol. Un exemplu de alte metode de analiză a performanței diferitelor baterii este diagrama Lagone.

Tensiunea și capacitatea bateriei depind de temperatură. (Imagine: Richtek)

Lagone parcele

Diagrama Lagoon compară puterea specifică și energia specifică a diferitelor tehnologii de stocare a energiei. De exemplu, atunci când luăm în considerare bateriile vehiculelor electrice, energia specifică este legată de autonomie, în timp ce puterea specifică corespunde performanței accelerației.

O diagramă Ragone care compară relația dintre energia specifică și puterea specifică a diferitelor tehnologii. (Imagine: Researchgate)

Diagrama Lagoon se bazează pe densitatea de energie de masă și densitatea de putere și nu include nicio informație referitoare la parametrii de volum. Deși metalurgistul David V. Lagone a dezvoltat aceste diagrame pentru a compara performanța diferitelor elemente chimice ale bateriilor, diagrama Lagone este, de asemenea, potrivită pentru compararea oricărui set de dispozitive de stocare a energiei și energie, cum ar fi motoarele, turbinele cu gaz și celulele de combustibil.

Raportul dintre energia specifică de pe axa Y și puterea specifică de pe axa X este numărul de ore în care dispozitivul funcționează la puterea nominală. Dimensiunea dispozitivului nu afectează această relație, deoarece dispozitivele mai mari vor avea o putere și o capacitate energetică proporțional mai mari. Curba izocronă care reprezintă timpul constant de funcționare pe diagrama Lagoon este o linie dreaptă.

rezumat

Este important să înțelegeți curba de descărcare a unei baterii și diferiții parametri care alcătuiesc familia curbei de descărcare legate de chimia specifică a bateriei. Datorită sistemelor electrochimice și termodinamice complexe, curbele de descărcare ale bateriilor sunt, de asemenea, complexe, dar sunt doar o modalitate de a înțelege compromisurile de performanță dintre diferitele chimie și structuri ale bateriilor.