Theorie van het opladen en ontladen van lithiumbatterijen

Theorie van het opladen en ontladen van lithiumbatterijen

1.1 Laadstatus (SOC)

De laadtoestand kan worden gedefinieerd als de toestand van de beschikbare elektrische energie in een batterij, meestal uitgedrukt als een percentage. Omdat de beschikbare elektrische energie varieert afhankelijk van de laad- en ontlaadstroom, de temperatuur en het verouderingsverschijnsel, wordt de definitie van de laadtoestand ook in twee typen verdeeld: Absolute State Of Charge (ASOC) en Relative State Of Charge (RSOC). Het bereik van de relatieve oplaadstatus bedraagt ​​gewoonlijk 0% -100%, terwijl de batterij 100% is wanneer deze volledig is opgeladen en 0% wanneer deze volledig is ontladen. De absolute laadtoestand is een referentiewaarde die wordt berekend op basis van de ontworpen vaste capaciteitswaarde bij de productie van de batterij. De absolute ladingstoestand van een gloednieuwe, volledig opgeladen batterij is 100%; Zelfs als de verouderende batterij volledig is opgeladen, kan deze onder verschillende laad- en ontlaadomstandigheden niet 100% bereiken.

De volgende afbeelding toont de relatie tussen spanning en batterijcapaciteit bij verschillende ontladingssnelheden. Hoe hoger de ontladingssnelheid, hoe lager de batterijcapaciteit. Wanneer de temperatuur laag is, neemt ook de batterijcapaciteit af.

                          Figuur 1. Relatie tussen spanning en capaciteit bij verschillende ontladingssnelheden en temperaturen

1.2 Maximale laadspanning

De hoogste laadspanning houdt verband met de chemische samenstelling en eigenschappen van de accu. De laadspanning van lithiumbatterijen is doorgaans 4,2 V en 4,35 V, en de spanningswaarden kunnen variëren afhankelijk van de kathode- en anodematerialen.

1.3 Volledig opgeladen

Wanneer het verschil tussen de accuspanning en de hoogste laadspanning kleiner is dan 100mV en de laadstroom daalt tot C/10, kan de accu als volledig opgeladen worden beschouwd. De kenmerken van batterijen variëren en ook de voorwaarden voor volledig opladen variëren.

De volgende afbeelding toont een typische oplaadkarakteristiek van een lithiumbatterij. Wanneer de accuspanning gelijk is aan de hoogste laadspanning en de laadstroom daalt naar C/10, wordt de accu als volledig opgeladen beschouwd.

                             Figuur 2. Karakteristieke curve voor het opladen van lithiumbatterijen

1.4 Minimale ontlaadspanning

De minimale ontlaadspanning kan worden gedefinieerd als de uitschakelontlaadspanning, meestal de spanning bij een laadtoestand van 0%. Deze spanningswaarde is geen vaste waarde, maar verandert afhankelijk van belasting, temperatuur, verouderingsgraad of andere factoren.

1.5 Volledige ontlading

Wanneer de accuspanning kleiner is dan of gelijk is aan de minimale ontlaadspanning, kan er sprake zijn van volledige ontlading.

1.6 Laadontladingssnelheid (C-Rate)

De laadontlaadsnelheid is een weergave van de laadontlaadstroom in verhouding tot de batterijcapaciteit. Als bijvoorbeeld 1C wordt gebruikt om gedurende één uur te ontladen, zal de batterij idealiter volledig ontladen. Verschillende laad- en ontlaadsnelheden resulteren in verschillende beschikbare capaciteiten. Meestal geldt: hoe hoger de ontladingssnelheid, hoe kleiner de beschikbare capaciteit.

1.7 Levensduur van de cyclus

Het aantal cycli is het aantal keren dat een batterij volledig is opgeladen en ontladen, wat kan worden geschat op basis van de werkelijke ontladingscapaciteit en de ontwerpcapaciteit. Wanneer de geaccumuleerde ontladingscapaciteit gelijk is aan de ontwerpcapaciteit, is het aantal cycli één. Normaal gesproken zal na 500 laad- en ontlaadcycli de capaciteit van een volledig opgeladen batterij met 10% tot 20% afnemen.

                          Figuur 3. Relatie tussen cyclustijden en batterijcapaciteit

1.8 Zelfontlading

De zelfontlading van alle accu’s zal toenemen bij toenemende temperatuur. Zelfontlading is in principe geen fabricagefout, maar eerder een kenmerk van de batterij zelf. Onjuiste behandeling tijdens het productieproces kan echter ook leiden tot een toename van de zelfontlading. Normaal gesproken verdubbelt de zelfontlading bij elke stijging van de batterijtemperatuur met 10 ° C. Lithium-ionbatterijen hebben een maandelijkse zelfontladingscapaciteit van ongeveer 1-2%, terwijl verschillende nikkelgebaseerde batterijen een maandelijkse zelfontladingscapaciteit hebben van 10-15%.

                             Figuur 4. Prestaties van de zelfontlading van lithiumbatterijen bij verschillende temperaturen