Hoe de ontladingscurve van de batterij te lezen

Hoe de ontladingscurve van de batterij te lezen

Batterijen zijn complexe elektrochemische en thermodynamische systemen, en meerdere factoren beïnvloeden hun prestaties. Natuurlijk is de batterijchemie de belangrijkste factor. Wanneer u echter begrijpt welk type batterij het meest geschikt is voor een specifieke toepassing, is het ook noodzakelijk om rekening te houden met factoren zoals de ontladingssnelheid, de bedrijfstemperatuur, de opslagomstandigheden en details over de fysieke structuur. Ten eerste moeten verschillende termen worden gedefinieerd:

★ Nullastspanning (Voc) is de spanning tussen de accupolen wanneer de accu onbelast is.

★ Klemspanning (Vt) is de spanning tussen de accupolen wanneer de accu wordt belast; Meestal lager dan Voc.

De uitschakelspanning (Vco) is de spanning waarbij de accu volledig ontladen is, zoals gespecificeerd. Hoewel er meestal nog batterijvermogen over is, kan het werken met een spanning lager dan Vco de batterij beschadigen.

★ Capaciteit meet het totale aantal ampère-uren (AH) dat een accu kan leveren wanneer deze volledig is opgeladen, totdat Vt Vco bereikt.

De laad-ontlaadsnelheid (C-Rate) is de snelheid waarmee een accu wordt opgeladen of ontladen in verhouding tot zijn nominale capaciteit. Bij een snelheid van 1C wordt de batterij bijvoorbeeld binnen 1 uur volledig opgeladen of ontladen. Bij een ontladingssnelheid van 0,5°C zal de accu binnen 2 uur volledig ontladen zijn. Het gebruik van een hogere C-snelheid vermindert doorgaans de beschikbare batterijcapaciteit en kan de batterij beschadigen.

★ De laadstatus van de batterij (SoC) kwantificeert de resterende batterijcapaciteit als percentage van de maximale capaciteit. Wanneer SoC nul bereikt en Vt Vco bereikt, kan er nog steeds batterijvermogen in de batterij aanwezig zijn, maar zonder de batterij te beschadigen en de toekomstige capaciteit te beïnvloeden, kan de batterij niet verder worden ontladen.

★ Ontladingsdiepte (DoD) is een aanvulling op SoC, die het percentage batterijcapaciteit meet dat is ontladen; DoD=100- SoC.

① De levensduur van de batterij is het aantal beschikbare cycli voordat de batterij het einde van de levensduur bereikt.

Einde levensduur van de batterij (EoL) verwijst naar het onvermogen van de batterij om te werken volgens de vooraf bepaalde minimumspecificaties. EoL kan op verschillende manieren worden gekwantificeerd:

① Capaciteitsverval is gebaseerd op het gegeven percentage afname van de batterijcapaciteit vergeleken met de nominale capaciteit onder gespecificeerde omstandigheden.

② De vermogensdemping is gebaseerd op het maximale vermogen van de accu bij een bepaald percentage vergeleken met het nominale vermogen onder gespecificeerde omstandigheden.

③ De energiedoorvoer kwantificeert de totale hoeveelheid energie die een batterij naar verwachting zal verwerken tijdens zijn levensduur, bijvoorbeeld 30MWh, op basis van specifieke bedrijfsomstandigheden.

★ De gezondheidsstatus (SoH) van de batterij meet het percentage resterende levensduur voordat de EoL wordt bereikt.

Polarisatiecurve

De ontladingscurve van de batterij wordt gevormd op basis van het polarisatie-effect van de batterij dat optreedt tijdens het ontladingsproces. De hoeveelheid energie die een batterij kan leveren onder verschillende bedrijfsomstandigheden, zoals C-snelheid en bedrijfstemperatuur, hangt nauw samen met het gebied onder de ontladingscurve. Tijdens het ontladingsproces zal de Vt van de batterij afnemen. De afname van Vt houdt verband met verschillende hoofdfactoren:

✔ IR-daling - De afname van de batterijspanning veroorzaakt door de stroom die door de interne weerstand van de batterij gaat. Deze factor neemt lineair toe bij een relatief hoge ontladingssnelheid, bij een constante temperatuur.

✔ Activeringspolarisatie - verwijst naar verschillende vertragingsfactoren die verband houden met de kinetiek van elektrochemische reacties, zoals de werkfunctie die ionen moeten overwinnen op de kruising tussen elektroden en elektrolyten.

✔ Concentratiepolarisatie - Deze factor houdt rekening met de weerstand waarmee ionen worden geconfronteerd tijdens massaoverdracht (diffusie) van de ene elektrode naar de andere. Deze factor domineert wanneer lithium-ionbatterijen volledig zijn ontladen en de helling van de curve erg steil wordt.

De polarisatiecurve (ontladingscurve) van de batterij toont de cumulatieve effecten van IR-afname, activeringspolarisatie en concentratiepolarisatie op Vt (batterijpotentieel). (Afbeelding: BioLogic)

Overwegingen bij de afvoercurve

Batterijen zijn ontworpen voor een breed scala aan toepassingen en bieden verschillende prestatiekenmerken. Er zijn bijvoorbeeld minstens zes chemische basissystemen voor lithiumionen, elk met zijn eigen unieke kenmerken. De ontladingscurve wordt gewoonlijk uitgezet met Vt op de Y-as, terwijl SoC (of DoD) wordt uitgezet op de X-as. Vanwege de correlatie tussen de prestaties van de batterij en verschillende parameters zoals C-snelheid en bedrijfstemperatuur, heeft elk chemisch batterijsysteem een ​​reeks ontladingscurven gebaseerd op specifieke combinaties van bedrijfsparameters. De volgende afbeelding vergelijkt bijvoorbeeld de ontladingsprestaties van twee veelgebruikte chemische lithium-ionsystemen en loodzuuraccu's bij kamertemperatuur en een ontladingssnelheid van 0,2 °C. De vorm van de ontladingscurve is van groot belang voor ontwerpers.

Een vlakke ontlaadcurve kan bepaalde toepassingsontwerpen vereenvoudigen, omdat de accuspanning gedurende de gehele ontlaadcyclus relatief stabiel blijft. Aan de andere kant kan de hellingscurve de schatting van de restlading vereenvoudigen, omdat de accuspanning nauw verband houdt met de restlading in de accu. Voor lithium-ionbatterijen met vlakke ontladingscurven vereist het schatten van de restlading echter complexere methoden, zoals Coulomb-telling, waarbij de ontlaadstroom van de batterij wordt gemeten en de stroom in de loop van de tijd wordt geïntegreerd om de restlading te schatten.

Bovendien ervaren batterijen met neerwaartse ontladingscurven een afname van het vermogen gedurende de gehele ontladingscyclus. Mogelijk is een batterij met een 'overmaat' nodig om toepassingen met hoog vermogen aan het einde van de ontladingscyclus te ondersteunen. Het is meestal nodig om een ​​boost-spanningsregelaar te gebruiken om gevoelige apparaten en systemen van stroom te voorzien met behulp van batterijen met steile ontladingscurven.

Het volgende is de ontladingscurve van een lithium-ionbatterij, die laat zien dat als de batterij in een zeer hoog tempo wordt ontladen (of omgekeerd, in een laag tempo), de effectieve capaciteit zal afnemen (of toenemen). Dit wordt capaciteitsverschuiving genoemd en dit effect komt veel voor in de meeste batterijchemiesystemen.

De spanning en capaciteit van lithium-ionbatterijen nemen af ​​naarmate de C-snelheid toeneemt. (Afbeelding: Richtek)

De werktemperatuur is een belangrijke parameter die de prestaties van de batterij beïnvloedt. Bij zeer lage temperaturen kunnen batterijen met elektrolyten op waterbasis bevriezen, waardoor de ondergrens van hun bedrijfstemperatuurbereik wordt beperkt. Lithiumionbatterijen kunnen bij lage temperaturen last krijgen van lithiumafzetting met negatieve elektrodes, waardoor de capaciteit permanent wordt verminderd. Bij hoge temperaturen kunnen chemicaliën ontleden en kan de batterij niet meer werken. Tussen bevriezing en chemische schade variëren de prestaties van de batterij doorgaans aanzienlijk bij temperatuurveranderingen.

De volgende afbeelding toont de impact van verschillende temperaturen op de prestaties van lithium-ionbatterijen. Bij zeer lage temperaturen kunnen de prestaties aanzienlijk afnemen. De ontladingscurve van de batterij is echter slechts één aspect van de batterijprestaties. Hoe groter de afwijking tussen de bedrijfstemperatuur van lithium-ionbatterijen en de kamertemperatuur (zowel bij hoge als bij lage temperaturen), hoe korter de levensduur. Voor specifieke toepassingen valt een volledige analyse van alle factoren die van invloed zijn op de toepasbaarheid van verschillende chemische accusystemen buiten het bestek van de accu-ontladingscurve van dit artikel. Een voorbeeld van andere methoden voor het analyseren van de prestaties van verschillende batterijen is de Lagone-plot.

De accuspanning en capaciteit zijn afhankelijk van de temperatuur. (Afbeelding: Richtek)

Lagone-percelen

Het lagunediagram vergelijkt het specifieke vermogen en de specifieke energie van verschillende energieopslagtechnologieën. Als we bijvoorbeeld kijken naar accu's voor elektrische voertuigen, houdt specifieke energie verband met de actieradius, terwijl het specifieke vermogen overeenkomt met de acceleratieprestaties.

Een Ragone-diagram waarin de relatie tussen specifieke energie en specifiek vermogen van verschillende technologieën wordt vergeleken. (Afbeelding: Researchgate)

Het lagunediagram is gebaseerd op massa-energiedichtheid en vermogensdichtheid en bevat geen informatie met betrekking tot volumeparameters. Hoewel metallurg David V. Lagone deze grafieken heeft ontwikkeld om de prestaties van verschillende batterijchemie te vergelijken, is de Lagone-grafiek ook geschikt voor het vergelijken van elke reeks energieopslag- en energie-apparaten, zoals motoren, gasturbines en brandstofcellen.

De verhouding tussen de specifieke energie op de Y-as en het specifieke vermogen op de X-as is het aantal uren dat het apparaat op nominaal vermogen werkt. De grootte van het apparaat heeft geen invloed op deze relatie, omdat grotere apparaten proportioneel meer vermogen en energiecapaciteit zullen hebben. De isochrone curve die de constante bedrijfstijd in het lagunediagram weergeeft, is een rechte lijn.

Samenvatting

Het is belangrijk om de ontladingscurve van een batterij te begrijpen en de verschillende parameters waaruit de ontladingscurvefamilie bestaat, gerelateerd aan de specifieke batterijchemie. Vanwege de complexe elektrochemische en thermodynamische systemen zijn de ontladingscurven van batterijen ook complex, maar ze zijn slechts een manier om de prestatie-trade-offs tussen verschillende batterijchemie en -structuren te begrijpen.