Hvordan lese batteriutladningskurven

Slik leser du batteriutladningskurven

Batterier er komplekse elektrokjemiske og termodynamiske systemer, og flere faktorer påvirker ytelsen deres. Batterikjemi er selvfølgelig den viktigste faktoren. Men når du forstår hvilken type batteri som er best egnet for en spesifikk applikasjon, er det også nødvendig å vurdere faktorer som ladeutladningshastighet, driftstemperatur, lagringsforhold og fysiske strukturdetaljer. For det første må flere begreper defineres:

★ Åpen kretsspenning (Voc) er spenningen mellom batteripolene når det ikke er belastning på batteriet.

★ Terminalspenning (Vt) er spenningen mellom batteripolene når belastningen påføres batteriet; Vanligvis lavere enn Voc.

Avskjæringsspenningen (Vco) er spenningen som batteriet er helt utladet ved, som spesifisert. Selv om det vanligvis er gjenværende batteristrøm, kan drift med en spenning under Vco skade batteriet.

★ Kapasiteten måler de totale amperetimene (AH) som et batteri kan gi når det er fulladet, til Vt når Vco.

Ladeutladingshastigheten (C-Rate) er hastigheten et batteri lades eller utlades med i forhold til dets nominelle kapasitet. For eksempel vil en hastighet på 1C lade eller lade batteriet helt ut innen 1 time. Ved en utladingshastighet på 0,5C vil batteriet lades helt ut innen 2 timer. Bruk av en høyere C-Rate reduserer vanligvis den tilgjengelige batterikapasiteten og kan skade batteriet.

★ Batteriladetilstanden (SoC) kvantifiserer gjenværende batterikapasitet som en prosentandel av maksimal kapasitet. Når SoC når null og Vt når Vco, kan det fortsatt være gjenværende batteristrøm i batteriet, men uten å skade batteriet og påvirke fremtidig kapasitet, kan ikke batteriet utlades ytterligere.

★ Discharge depth (DoD) er et komplement til SoC, som måler prosentandelen av batterikapasiteten som har blitt utladet; DoD=100- SoC.

① Sykluslevetiden er antall tilgjengelige sykluser før batteriet når slutten av levetiden.

Slutt på batterilevetid (EoL) refererer til batteriets manglende evne til å fungere i henhold til de forhåndsbestemte minimumsspesifikasjonene. EoL kan kvantifiseres på forskjellige måter:

① Kapasitetsreduksjon er basert på den gitte prosentvise reduksjonen i batterikapasitet sammenlignet med nominell kapasitet under spesifiserte forhold.

② Strømdemping er basert på batteriets maksimale effekt ved en gitt prosentandel sammenlignet med merkeeffekten under spesifiserte forhold.

③ Energigjennomstrømningen kvantifiserer den totale mengden energi som et batteri forventes å behandle i løpet av levetiden, for eksempel 30MWh, basert på spesifikke driftsforhold.

★ Helsestatusen (SoH) til batteriet måler prosentandelen av gjenværende levetid før den når EoL.

Polarisasjonskurve

Batteriutladningskurven dannes basert på polarisasjonseffekten til batteriet som oppstår under utladingsprosessen. Mengden energi som et batteri kan gi under forskjellige driftsforhold, som C-rate og driftstemperatur, er nært knyttet til arealet under utladningskurven. Under utladingsprosessen vil Vt på batteriet synke. Nedgangen i Vt er relatert til flere hovedfaktorer:

✔ IR-fall - Nedgangen i batterispenning forårsaket av strømmen som går gjennom den interne motstanden til batteriet. Denne faktoren øker lineært ved en relativt høy utladningshastighet, med konstant temperatur.

✔ Aktiveringspolarisering - refererer til ulike retardasjonsfaktorer relatert til kinetikken til elektrokjemiske reaksjoner, for eksempel arbeidsfunksjonen som ioner må overvinne i krysset mellom elektroder og elektrolytter.

✔ Konsentrasjonspolarisering - Denne faktoren tar hensyn til motstanden som ioner møter under masseoverføring (diffusjon) fra en elektrode til en annen. Denne faktoren dominerer når litium-ion-batterier er helt utladet, og stigningen på kurven blir veldig bratt.

Polarisasjonskurven (utladningskurven) til batteriet viser de kumulative effektene av IR-reduksjon, aktiveringspolarisering og konsentrasjonspolarisering på Vt (batteripotensial). (Bilde: BioLogic)

Utløpskurvehensyn

Batterier er designet for et bredt spekter av bruksområder og gir ulike ytelsesegenskaper. For eksempel er det minst seks grunnleggende litiumion-kjemiske systemer, hver med sitt eget unike funksjonssett. Utladningskurven er vanligvis plottet med Vt på Y-aksen, mens SoC (eller DoD) er plottet på X-aksen. På grunn av korrelasjonen mellom batteriytelse og ulike parametere som C-rate og driftstemperatur, har hvert batterikjemisk system en serie utladningskurver basert på spesifikke driftsparameterkombinasjoner. For eksempel sammenligner følgende figur utladningsytelsen til to vanlige litiumion-kjemiske systemer og blysyrebatterier ved romtemperatur og 0,2C utladningshastighet. Formen på utslippskurven er av stor betydning for designere.

En flat utladningskurve kan forenkle visse applikasjonsdesign, ettersom batterispenningen forblir relativt stabil gjennom hele utladingssyklusen. På den annen side kan helningskurven forenkle estimeringen av restlading, da batterispenningen er nært knyttet til restladingen i batteriet. For litium-ion-batterier med flate utladningskurver krever imidlertid estimering av restlading mer komplekse metoder, for eksempel Coulomb-telling, som måler utladningsstrømmen til batteriet og integrerer strømmen over tid for å estimere restlading.

I tillegg opplever batterier med nedadgående utladningskurver en reduksjon i kraft gjennom hele utladingssyklusen. Et "overflødig" batteri kan være nødvendig for å støtte høyeffektapplikasjoner på slutten av utladingssyklusen. Det er vanligvis nødvendig å bruke en boost-spenningsregulator for å drive sensitive enheter og systemer som bruker batterier med bratte utladningskurver.

Følgende er utladingskurven til et litium-ion-batteri, som viser at hvis batteriet utlades med en svært høy hastighet (eller omvendt, med en lav hastighet), vil den effektive kapasiteten reduseres (eller øke). Dette kalles kapasitetsforskyvning, og denne effekten er vanlig i de fleste batterikjemisystemer.

Spenningen og kapasiteten til litium-ion-batterier reduseres med økningen av C-hastigheten. (Bilde: Richtek)

Arbeidstemperatur er en viktig parameter som påvirker batteriytelsen. Ved svært lave temperaturer kan batterier med vannbaserte elektrolytter fryse, noe som begrenser den nedre grensen for driftstemperaturområdet. Litiumionbatterier kan oppleve negativ elektrodelitiumavsetning ved lave temperaturer, noe som permanent reduserer kapasiteten. Ved høye temperaturer kan kjemikalier brytes ned og batteriet kan slutte å fungere. Mellom frysing og kjemisk skade varierer batteriytelsen vanligvis betydelig med temperaturendringer.

Følgende figur viser virkningen av ulike temperaturer på ytelsen til litiumion-batterier. Ved svært lave temperaturer kan ytelsen reduseres betydelig. Batteriutladningskurven er imidlertid bare ett aspekt av batteriytelsen. For eksempel, jo større avvik mellom driftstemperaturen til litium-ion-batterier og romtemperatur (enten ved høye eller lave temperaturer), jo lavere sykluslevetid. For spesifikke bruksområder er en fullstendig analyse av alle faktorer som påvirker anvendeligheten til forskjellige batterikjemiske systemer utenfor rammen av denne artikkelens batteriutladningskurve. Et eksempel på andre metoder for å analysere ytelsen til forskjellige batterier er Lagone-plottet.

Batterispenningen og kapasiteten avhenger av temperaturen. (Bilde: Richtek)

Lagone tomter

Lagunediagrammet sammenligner den spesifikke kraften og spesifikke energien til forskjellige energilagringsteknologier. For eksempel, når man vurderer elektriske kjøretøybatterier, er spesifikk energi relatert til rekkevidde, mens spesifikk effekt tilsvarer akselerasjonsytelsen.

Et Ragone-diagram som sammenligner forholdet mellom spesifikk energi og spesifikk kraft til ulike teknologier. (Bilde: Researchgate)

Lagunediagrammet er basert på masseenergitetthet og effekttetthet, og inkluderer ingen informasjon relatert til volumparametere. Selv om metallurg David V. Lagone utviklet disse diagrammene for å sammenligne ytelsen til ulike batterikjemi, er Lagone-diagrammet også egnet for å sammenligne ethvert sett med energilagrings- og energienheter, for eksempel motorer, gassturbiner og brenselceller.

Forholdet mellom den spesifikke energien på Y-aksen og den spesifikke effekten på X-aksen er antall timer enheten opererer med merkeeffekt. Størrelsen på enheten påvirker ikke dette forholdet, da større enheter vil ha proporsjonalt høyere effekt og energikapasitet. Den isokrone kurven som representerer konstant driftstid på lagunediagrammet er en rett linje.

Sammendrag

Det er viktig å forstå utladningskurven til et batteri og de ulike parameterne som utgjør utladningskurvefamilien knyttet til spesifikk batterikjemi. På grunn av de komplekse elektrokjemiske og termodynamiske systemene, er utladningskurvene til batterier også komplekse, men de er bare en måte å forstå ytelsesavveiningene mellom ulike batterikjemi og strukturer.