Θεωρία φόρτισης και εκφόρτισης μπαταρίας λιθίου

Θεωρία φόρτισης και εκφόρτισης μπαταρίας λιθίου

1.1 Κατάσταση χρέωσης (SOC)

Η κατάσταση φόρτισης μπορεί να οριστεί ως η κατάσταση της διαθέσιμης ηλεκτρικής ενέργειας σε μια μπαταρία, συνήθως εκφρασμένη ως ποσοστό. Επειδή η διαθέσιμη ηλεκτρική ενέργεια ποικίλλει ανάλογα με το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης, τη θερμοκρασία και το φαινόμενο γήρανσης, ο ορισμός της κατάστασης φόρτισης χωρίζεται επίσης σε δύο τύπους: Απόλυτη κατάσταση φόρτισης (ASOC) και σχετική κατάσταση φόρτισης (RSOC). Το εύρος της σχετικής κατάστασης φόρτισης είναι συνήθως 0% -100%, ενώ η μπαταρία είναι 100% όταν είναι πλήρως φορτισμένη και 0% όταν είναι πλήρως αποφορτισμένη. Η απόλυτη κατάσταση φόρτισης είναι μια τιμή αναφοράς που υπολογίζεται με βάση τη σχεδιασμένη τιμή σταθερής χωρητικότητας όταν κατασκευάζεται η μπαταρία. Η απόλυτη κατάσταση φόρτισης μιας ολοκαίνουργιας πλήρως φορτισμένης μπαταρίας είναι 100%. Ακόμα κι αν η γερασμένη μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη, δεν μπορεί να φτάσει το 100% υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτισης και εκφόρτισης.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη σχέση μεταξύ τάσης και χωρητικότητας της μπαταρίας υπό διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης. Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός αποφόρτισης, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας. Όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλή, η χωρητικότητα της μπαταρίας θα μειωθεί επίσης.

                          Σχήμα 1. Σχέση μεταξύ τάσης και χωρητικότητας κάτω από διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης και θερμοκρασίες

1.2 Μέγιστη τάση φόρτισης

Η υψηλότερη τάση φόρτισης σχετίζεται με τη χημική σύνθεση και τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας. Η τάση φόρτισης των μπαταριών λιθίου είναι συνήθως 4,2 V και 4,35 V και οι τιμές τάσης μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τα υλικά της καθόδου και της ανόδου.

1.3 Πλήρως φορτισμένο

Όταν η διαφορά μεταξύ της τάσης της μπαταρίας και της υψηλότερης τάσης φόρτισης είναι μικρότερη από 100 mV και το ρεύμα φόρτισης μειώνεται σε C/10, η μπαταρία μπορεί να θεωρηθεί πλήρως φορτισμένη. Τα χαρακτηριστικά των μπαταριών ποικίλλουν και οι συνθήκες για πλήρη φόρτιση ποικίλλουν επίσης.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια τυπική χαρακτηριστική καμπύλη φόρτισης μπαταρίας λιθίου. Όταν η τάση της μπαταρίας είναι ίση με την υψηλότερη τάση φόρτισης και το ρεύμα φόρτισης μειώνεται σε C/10, η μπαταρία θεωρείται πλήρως φορτισμένη.

                             Εικόνα 2. Χαρακτηριστική καμπύλη φόρτισης μπαταρίας λιθίου

1.4 Ελάχιστη τάση εκφόρτισης

Η ελάχιστη τάση εκφόρτισης μπορεί να οριστεί ως η τάση αποκοπής εκφόρτισης, συνήθως η τάση σε κατάσταση φόρτισης 0%. Αυτή η τιμή τάσης δεν είναι μια σταθερή τιμή, αλλά αλλάζει ανάλογα με το φορτίο, τη θερμοκρασία, το βαθμό γήρανσης ή άλλους παράγοντες.

1.5 Πλήρης εκφόρτιση

Όταν η τάση της μπαταρίας είναι μικρότερη ή ίση με την ελάχιστη τάση εκφόρτισης, μπορεί να ονομαστεί πλήρης εκφόρτιση.

1.6 Ποσοστό εκφόρτισης φόρτισης (C-Rate)

Ο ρυθμός εκφόρτισης φόρτισης είναι μια αναπαράσταση του ρεύματος εκφόρτισης σε σχέση με τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείται 1C για εκφόρτιση για μία ώρα, ιδανικά, η μπαταρία θα αποφορτιστεί πλήρως. Οι διαφορετικοί ρυθμοί φόρτισης και εκφόρτισης θα έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές διαθέσιμες χωρητικότητες. Συνήθως, όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός εκφόρτισης φόρτισης, τόσο μικρότερη είναι η διαθέσιμη χωρητικότητα.

1.7 Κύκλος ζωής

Ο αριθμός των κύκλων είναι ο αριθμός των φορών που μια μπαταρία έχει υποστεί πλήρη φόρτιση και εκφόρτιση, ο οποίος μπορεί να εκτιμηθεί από την πραγματική χωρητικότητα εκφόρτισης και την ικανότητα σχεδιασμού. Όποτε η συσσωρευμένη ικανότητα εκφόρτισης ισούται με τη χωρητικότητα σχεδιασμού, ο αριθμός των κύκλων είναι ένας. Συνήθως, μετά από 500 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, η χωρητικότητα μιας πλήρως φορτισμένης μπαταρίας θα μειωθεί κατά 10% έως 20%.

                          Εικόνα 3. Σχέση μεταξύ των χρόνων κύκλου και της χωρητικότητας της μπαταρίας

1.8 Αυτοεκφόρτιση

Η αυτοεκφόρτιση όλων των μπαταριών θα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η αυτοεκφόρτιση δεν είναι βασικά κατασκευαστικό ελάττωμα, αλλά χαρακτηριστικό της ίδιας της μπαταρίας. Ωστόσο, ο ακατάλληλος χειρισμός κατά τη διαδικασία κατασκευής μπορεί επίσης να οδηγήσει σε αύξηση της αυτοεκφόρτισης. Συνήθως, για κάθε αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας κατά 10 ° C, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης διπλασιάζεται. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν μηνιαία ικανότητα αυτοεκφόρτισης περίπου 1-2%, ενώ διάφορες μπαταρίες με βάση το νικέλιο έχουν μηνιαία ικανότητα αυτοεκφόρτισης 10-15%.

                             Εικόνα 4. Απόδοση του ρυθμού αυτοεκφόρτισης των μπαταριών λιθίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες