Cara membaca keluk nyahcas bateri

Cara membaca keluk nyahcas bateri

Bateri ialah sistem elektrokimia dan termodinamik yang kompleks, dan pelbagai faktor mempengaruhi prestasinya. Sudah tentu, kimia bateri adalah faktor yang paling penting. Walau bagaimanapun, apabila memahami jenis bateri yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu, faktor seperti kadar pelepasan cas, suhu operasi, keadaan penyimpanan dan butiran struktur fizikal juga perlu dipertimbangkan. Pertama, beberapa istilah perlu ditakrifkan:

★ Voltan litar terbuka (Voc) ialah voltan antara terminal bateri apabila tiada beban pada bateri.

★ Voltan terminal (Vt) ialah voltan antara terminal bateri apabila beban dikenakan pada bateri; Biasanya lebih rendah daripada Voc.

Voltan potong (Vco) ialah voltan di mana bateri dinyahcas sepenuhnya, seperti yang dinyatakan. Walaupun biasanya terdapat baki kuasa bateri, operasi pada voltan di bawah Vco boleh merosakkan bateri.

★ Kapasiti mengukur jumlah jam ampere (AH) yang boleh diberikan oleh bateri apabila dicas penuh, sehingga Vt mencapai Vco.

Kadar nyahcas cas (C-Kadar) ialah kadar di mana bateri dicas atau dinyahcas berbanding kapasiti terkadarnya. Contohnya, kadar 1C akan mengecas atau menyahcas bateri sepenuhnya dalam masa 1 jam. Pada kadar nyahcas 0.5C, bateri akan dinyahcas sepenuhnya dalam masa 2 jam. Menggunakan C-Rate yang lebih tinggi biasanya mengurangkan kapasiti bateri yang tersedia dan boleh merosakkan bateri.

★ Keadaan pengecasan bateri (SoC) mengukur baki kapasiti bateri sebagai peratusan kapasiti maksimum. Apabila SoC mencecah sifar dan Vt mencapai Vco, mungkin masih terdapat baki kuasa bateri dalam bateri, tetapi tanpa merosakkan bateri dan menjejaskan kapasiti masa hadapan, bateri tidak boleh dinyahcas lagi.

★ Kedalaman nyahcas (DoD) ialah pelengkap SoC, yang mengukur peratusan kapasiti bateri yang telah dinyahcas; DoD=100- SoC.

① Hayat kitaran ialah bilangan kitaran yang tersedia sebelum bateri mencapai akhir hayat perkhidmatannya.

Tamat hayat bateri (EoL) merujuk kepada ketidakupayaan bateri untuk beroperasi mengikut spesifikasi minimum yang telah ditetapkan. EoL boleh dikira dalam pelbagai cara:

① Pereputan kapasiti adalah berdasarkan peratusan penurunan kapasiti bateri yang diberikan berbanding kapasiti terkadar di bawah keadaan tertentu.

② Pengecilan kuasa adalah berdasarkan kuasa maksimum bateri pada peratusan tertentu berbanding dengan kuasa terkadar dalam keadaan tertentu.

③ Daya pemprosesan tenaga mengukur jumlah tenaga yang dijangka diproses oleh bateri semasa jangka hayatnya, seperti 30MWj, berdasarkan keadaan operasi tertentu.

★ Status kesihatan (SoH) bateri mengukur peratusan hayat berguna yang tinggal sebelum mencapai EoL.

Keluk polarisasi

Keluk nyahcas bateri terbentuk berdasarkan kesan polarisasi bateri yang berlaku semasa proses nyahcas. Jumlah tenaga yang boleh diberikan oleh bateri dalam keadaan operasi yang berbeza, seperti kadar C dan suhu operasi, berkait rapat dengan kawasan di bawah lengkung nyahcas. Semasa proses nyahcas, Vt bateri akan berkurangan. Penurunan Vt adalah berkaitan dengan beberapa faktor utama:

✔ Penurunan IR - Penurunan voltan bateri yang disebabkan oleh arus yang melalui rintangan dalaman bateri. Faktor ini meningkat secara linear pada kadar nyahcas yang agak tinggi, dengan suhu malar.

✔ Polarisasi pengaktifan - merujuk kepada pelbagai faktor nyahpecutan yang berkaitan dengan kinetik tindak balas elektrokimia, seperti fungsi kerja yang mesti diatasi oleh ion di persimpangan antara elektrod dan elektrolit.

✔ Polarisasi kepekatan - Faktor ini mengambil kira rintangan yang dihadapi oleh ion semasa pemindahan jisim (penyebaran) dari satu elektrod ke elektrod yang lain. Faktor ini mendominasi apabila bateri litium-ion dinyahcas sepenuhnya, dan cerun lengkung menjadi sangat curam.

Lengkung polarisasi (lengkung nyahcas) bateri menunjukkan kesan kumulatif penurunan IR, polarisasi pengaktifan dan polarisasi kepekatan pada Vt (potensi bateri). (Imej: BioLogic)

Pertimbangan keluk nyahcas

Bateri telah direka bentuk untuk pelbagai aplikasi dan menyediakan pelbagai ciri prestasi. Sebagai contoh, terdapat sekurang-kurangnya enam sistem kimia ion litium asas, masing-masing mempunyai set ciri uniknya sendiri. Keluk nyahcas biasanya diplot dengan Vt pada paksi-Y, manakala SoC (atau DoD) diplot pada paksi-X. Disebabkan oleh korelasi antara prestasi bateri dan pelbagai parameter seperti kadar C dan suhu operasi, setiap sistem kimia bateri mempunyai satu siri lengkung nyahcas berdasarkan kombinasi parameter operasi tertentu. Sebagai contoh, rajah berikut membandingkan prestasi nyahcas dua sistem kimia litium-ion biasa dan bateri asid plumbum pada suhu bilik dan kadar nyahcas 0.2C. Bentuk lengkung nyahcas adalah sangat penting kepada pereka bentuk.

Keluk nyahcas rata boleh memudahkan reka bentuk aplikasi tertentu, kerana voltan bateri kekal stabil sepanjang keseluruhan kitaran nyahcas. Sebaliknya, lengkung cerun boleh memudahkan anggaran baki cas, kerana voltan bateri berkait rapat dengan cas baki dalam bateri. Walau bagaimanapun, untuk bateri litium-ion dengan lengkung nyahcas rata, menganggarkan baki cas memerlukan kaedah yang lebih kompleks, seperti pengiraan Coulomb, yang mengukur arus nyahcas bateri dan menyepadukan arus dari semasa ke semasa untuk menganggarkan baki cas.

Selain itu, bateri dengan lengkung nyahcas condong ke bawah mengalami penurunan kuasa sepanjang keseluruhan kitaran nyahcas. Bateri 'saiz berlebihan' mungkin diperlukan untuk menyokong aplikasi berkuasa tinggi pada penghujung kitaran nyahcas. Ia biasanya perlu menggunakan pengatur voltan rangsangan untuk menggerakkan peranti dan sistem sensitif menggunakan bateri dengan lengkung nyahcas yang curam.

Berikut ialah lengkung nyahcas bagi bateri lithium-ion, yang menunjukkan bahawa jika bateri dinyahcas pada kadar yang sangat tinggi (atau sebaliknya, pada kadar yang rendah), kapasiti berkesan akan berkurangan (atau meningkat). Ini dipanggil anjakan kapasiti, dan kesan ini biasa berlaku dalam kebanyakan sistem kimia bateri.

Voltan dan kapasiti bateri litium-ion berkurangan dengan peningkatan kadar C. (Imej: Richtek)

Suhu kerja ialah parameter penting yang mempengaruhi prestasi bateri. Pada suhu yang sangat rendah, bateri dengan elektrolit berasaskan air mungkin membeku, mengehadkan had bawah julat suhu operasinya. Bateri ion litium boleh mengalami pemendapan litium elektrod negatif pada suhu rendah, mengurangkan kapasiti secara kekal. Pada suhu tinggi, bahan kimia mungkin terurai dan bateri mungkin berhenti berfungsi. Antara pembekuan dan kerosakan kimia, prestasi bateri biasanya berbeza dengan ketara dengan perubahan suhu.

Rajah berikut menunjukkan kesan suhu yang berbeza ke atas prestasi bateri litium-ion. Pada suhu yang sangat rendah, prestasi mungkin menurun dengan ketara. Walau bagaimanapun, keluk nyahcas bateri hanyalah satu aspek prestasi bateri. Sebagai contoh, lebih besar sisihan antara suhu operasi bateri litium-ion dan suhu bilik (sama ada pada suhu tinggi atau rendah), semakin rendah hayat kitaran. Untuk aplikasi khusus, analisis lengkap semua faktor yang mempengaruhi kebolehgunaan pelbagai sistem kimia bateri adalah di luar skop keluk nyahcas bateri artikel ini. Contoh kaedah lain untuk menganalisis prestasi bateri yang berbeza ialah plot Lagone.

Voltan dan kapasiti bateri bergantung pada suhu. (Imej: Richtek)

Plot lagune

Gambar rajah Lagoon membandingkan kuasa khusus dan tenaga khusus bagi teknologi penyimpanan tenaga yang berbeza. Contohnya, apabila mempertimbangkan bateri kenderaan elektrik, tenaga khusus berkaitan dengan julat, manakala kuasa khusus sepadan dengan prestasi pecutan.

Gambar rajah Ragone yang membandingkan hubungan antara tenaga khusus dan kuasa khusus pelbagai teknologi. (Imej: Researchgate)

Gambar rajah Lagoon adalah berdasarkan kepadatan tenaga jisim dan ketumpatan kuasa, dan tidak termasuk sebarang maklumat yang berkaitan dengan parameter volum. Walaupun ahli metalurgi David V. Lagone membangunkan carta ini untuk membandingkan prestasi pelbagai kimia bateri, carta Lagone juga sesuai untuk membandingkan mana-mana set storan tenaga dan peranti tenaga, seperti enjin, turbin gas dan sel bahan api.

Nisbah antara tenaga khusus pada paksi Y dan kuasa khusus pada paksi X ialah bilangan jam peranti beroperasi pada kuasa terkadar. Saiz peranti tidak menjejaskan hubungan ini, kerana peranti yang lebih besar akan mempunyai kuasa dan kapasiti tenaga yang lebih tinggi secara proporsional. Lengkung isokron yang mewakili masa operasi malar pada rajah Lagun ialah garis lurus.

Ringkasan

Adalah penting untuk memahami lengkung nyahcas bateri dan pelbagai parameter yang membentuk keluarga lengkung nyahcas yang berkaitan dengan kimia bateri tertentu. Disebabkan oleh sistem elektrokimia dan termodinamik yang kompleks, lengkung nyahcas bateri juga kompleks, tetapi ia hanya satu cara untuk memahami pertukaran prestasi antara pelbagai kimia dan struktur bateri.