Hur man läser batteriurladdningskurvan

Hur man läser batteriurladdningskurvan

Batterier är komplexa elektrokemiska och termodynamiska system, och flera faktorer påverkar deras prestanda. Batterikemin är förstås den viktigaste faktorn. Men när man förstår vilken typ av batteri som är mest lämplig för en specifik tillämpning är det också nödvändigt att överväga faktorer som laddningsurladdningshastighet, driftstemperatur, lagringsförhållanden och fysiska strukturdetaljer. För det första måste flera termer definieras:

★ Öppen kretsspänning (Voc) är spänningen mellan batteripolerna när det inte finns någon belastning på batteriet.

★ Terminalspänning (Vt) är spänningen mellan batteripolerna när belastningen appliceras på batteriet; Vanligtvis lägre än Voc.

Avstängningsspänningen (Vco) är den spänning vid vilken batteriet är helt urladdat, enligt specifikation. Även om det vanligtvis finns kvar batterikraft, kan drift vid en spänning under Vco skada batteriet.

★ Kapaciteten mäter den totala amperetimmar (AH) som ett batteri kan ge när det är fulladdat, tills Vt når Vco.

Laddningsurladdningshastigheten (C-Rate) är den hastighet med vilken ett batteri laddas eller laddas ur i förhållande till dess nominella kapacitet. Till exempel kommer en hastighet på 1C att ladda eller ladda ur batteriet helt inom 1 timme. Vid en urladdningshastighet på 0,5C kommer batteriet att laddas ur helt inom 2 timmar. Att använda en högre C-Rate minskar vanligtvis den tillgängliga batterikapaciteten och kan skada batteriet.

★ Batteriets laddningstillstånd (SoC) kvantifierar den återstående batterikapaciteten i procent av den maximala kapaciteten. När SoC når noll och Vt når Vco kan det fortfarande finnas kvar batterikraft i batteriet, men utan att skada batteriet och påverka framtida kapacitet kan batteriet inte laddas ur ytterligare.

★ Urladdningsdjup (DoD) är ett komplement till SoC, som mäter procentandelen av batterikapaciteten som har laddats ur; DoD=100- SoC.

① Cykellivslängden är antalet tillgängliga cykler innan batteriet når slutet av sin livslängd.

Batteriets slut (EoL) hänvisar till batteriets oförmåga att fungera enligt de förutbestämda minimispecifikationerna. EoL kan kvantifieras på olika sätt:

① Kapacitetsminskning baseras på den givna procentuella minskningen av batterikapacitet jämfört med nominell kapacitet under specificerade förhållanden.

② Strömdämpning baseras på batteriets maximala effekt vid en given procentandel jämfört med märkeffekten under specificerade förhållanden.

③ Energigenomströmningen kvantifierar den totala mängden energi som ett batteri förväntas bearbeta under sin livslängd, såsom 30MWh, baserat på specifika driftsförhållanden.

★ Batteriets hälsostatus (SoH) mäter procentandelen av den återstående livslängden innan det når EoL.

Polarisationskurva

Batteriurladdningskurvan bildas baserat på polarisationseffekten av batteriet som uppstår under urladdningsprocessen. Mängden energi som ett batteri kan ge under olika driftsförhållanden, såsom C-hastighet och driftstemperatur, är nära relaterad till arean under urladdningskurvan. Under urladdningsprocessen kommer batteriets Vt att minska. Minskningen av Vt är relaterad till flera huvudfaktorer:

✔ IR-fall - Minskningen av batterispänningen orsakad av strömmen som passerar genom batteriets inre motstånd. Denna faktor ökar linjärt vid en relativt hög urladdningshastighet, med konstant temperatur.

✔ Aktiveringspolarisation - hänvisar till olika retardationsfaktorer relaterade till kinetiken för elektrokemiska reaktioner, såsom arbetsfunktionen som joner måste övervinna i förbindelsen mellan elektroder och elektrolyter.

✔ Koncentrationpolarisation - Denna faktor tar hänsyn till motståndet som joner möter under massöverföring (diffusion) från en elektrod till en annan. Denna faktor dominerar när litiumjonbatterier är helt urladdade och kurvans lutning blir mycket brant.

Batteriets polarisationskurva (urladdningskurvan) visar de kumulativa effekterna av IR-minskning, aktiveringspolarisering och koncentrationspolarisation på Vt (batteripotential). (Bild: BioLogic)

Överväganden i urladdningskurvan

Batterier har designats för ett brett spektrum av applikationer och ger olika prestandaegenskaper. Till exempel finns det minst sex grundläggande kemiska litiumjonsystem, var och en med sin egen unika funktionsuppsättning. Urladdningskurvan är vanligtvis ritad med Vt på Y-axeln, medan SoC (eller DoD) är plottad på X-axeln. På grund av korrelationen mellan batteriprestanda och olika parametrar som C-hastighet och driftstemperatur, har varje batterikemiskt system en serie urladdningskurvor baserade på specifika kombinationer av driftsparametrar. Till exempel jämför följande figur urladdningsprestanda för två vanliga litiumjon-kemiska system och blybatterier vid rumstemperatur och 0,2C urladdningshastighet. Formen på urladdningskurvan är av stor betydelse för designers.

En platt urladdningskurva kan förenkla vissa applikationsdesigner, eftersom batterispänningen förblir relativt stabil under hela urladdningscykeln. Å andra sidan kan lutningskurvan förenkla uppskattningen av restladdning, eftersom batterispänningen är nära relaterad till restladdningen i batteriet. Men för litiumjonbatterier med platta urladdningskurvor kräver uppskattning av restladdning mer komplexa metoder, såsom Coulomb-räkning, som mäter batteriets urladdningsström och integrerar strömmen över tid för att uppskatta restladdningen.

Dessutom upplever batterier med nedåtlutande urladdningskurvor en minskning av effekten under hela urladdningscykeln. Ett batteri med "överdriven storlek" kan behövas för att stödja högeffektapplikationer i slutet av urladdningscykeln. Det är vanligtvis nödvändigt att använda en boostspänningsregulator för att driva känsliga enheter och system som använder batterier med branta urladdningskurvor.

Följande är urladdningskurvan för ett litiumjonbatteri, som visar att om batteriet laddas ur med mycket hög hastighet (eller tvärtom, i låg hastighet), kommer den effektiva kapaciteten att minska (eller öka). Detta kallas kapacitetsförskjutning, och denna effekt är vanlig i de flesta batterikemisystem.

Spänningen och kapaciteten hos litiumjonbatterier minskar med ökningen av C-hastigheten. (Bild: Richtek)

Arbetstemperaturen är en viktig parameter som påverkar batteriets prestanda. Vid mycket låga temperaturer kan batterier med vattenbaserade elektrolyter frysa, vilket begränsar den nedre gränsen för deras driftstemperaturområde. Litiumjonbatterier kan uppleva negativ elektrodlitiumavlagring vid låga temperaturer, vilket permanent minskar kapaciteten. Vid höga temperaturer kan kemikalier sönderdelas och batteriet kan sluta fungera. Mellan frysning och kemisk skada varierar batteriets prestanda vanligtvis avsevärt med temperaturförändringar.

Följande figur visar inverkan av olika temperaturer på prestanda hos litiumjonbatterier. Vid mycket låga temperaturer kan prestandan minska avsevärt. Batteriurladdningskurvan är dock bara en aspekt av batteriets prestanda. Till exempel, ju större avvikelsen är mellan drifttemperaturen för litiumjonbatterier och rumstemperaturen (vare sig vid höga eller låga temperaturer), desto lägre livslängd. För specifika applikationer ligger en fullständig analys av alla faktorer som påverkar tillämpbarheten av olika batterikemiska system utanför ramen för denna artikels batteriurladdningskurva. Ett exempel på andra metoder för att analysera prestanda hos olika batterier är Lagone-plotten.

Batteriets spänning och kapacitet beror på temperaturen. (Bild: Richtek)

Lagone tomter

Lagundiagrammet jämför den specifika effekten och den specifika energin för olika energilagringsteknologier. Till exempel, när man överväger elfordonsbatterier, är specifik energi relaterad till räckvidd, medan specifik effekt motsvarar accelerationsprestanda.

Ett Ragone-diagram som jämför förhållandet mellan specifik energi och specifik kraft för olika teknologier. (Bild: Researchgate)

Lagundiagrammet är baserat på massenergitäthet och effekttäthet och innehåller ingen information relaterad till volymparametrar. Även om metallurgen David V. Lagone utvecklade dessa diagram för att jämföra prestanda för olika batterikemi, är Lagone-diagrammet också lämpligt för att jämföra alla typer av energilagrings- och energienheter, såsom motorer, gasturbiner och bränsleceller.

Förhållandet mellan den specifika energin på Y-axeln och den specifika effekten på X-axeln är antalet timmar enheten arbetar med märkeffekt. Storleken på enheten påverkar inte detta förhållande, eftersom större enheter kommer att ha proportionellt högre effekt och energikapacitet. Den isokrona kurvan som representerar konstant drifttid på lagundiagrammet är en rät linje.

Sammanfattning

Det är viktigt att förstå urladdningskurvan för ett batteri och de olika parametrarna som utgör urladdningskurvans familj relaterade till specifik batterikemi. På grund av de komplexa elektrokemiska och termodynamiska systemen är urladdningskurvorna för batterier också komplexa, men de är bara ett sätt att förstå prestandaavvägningarna mellan olika batterikemi och strukturer.