Πώς να διαβάσετε την καμπύλη εκφόρτισης μπαταρίας

Πώς να διαβάσετε την καμπύλη εκφόρτισης μπαταρίας

Οι μπαταρίες είναι πολύπλοκα ηλεκτροχημικά και θερμοδυναμικά συστήματα και πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την απόδοσή τους. Φυσικά, η χημεία της μπαταρίας είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας. Ωστόσο, όταν κατανοούμε ποιος τύπος μπαταρίας είναι ο καταλληλότερος για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, είναι επίσης απαραίτητο να ληφθούν υπόψη παράγοντες όπως ο ρυθμός εκφόρτισης, η θερμοκρασία λειτουργίας, οι συνθήκες αποθήκευσης και οι λεπτομέρειες της φυσικής δομής. Αρχικά, πρέπει να οριστούν αρκετοί όροι:

★ Τάση ανοιχτού κυκλώματος (Voc) είναι η τάση μεταξύ των ακροδεκτών της μπαταρίας όταν δεν υπάρχει φορτίο στην μπαταρία.

★ Τάση ακροδεκτών (Vt) είναι η τάση μεταξύ των ακροδεκτών της μπαταρίας όταν εφαρμόζεται το φορτίο στην μπαταρία. Συνήθως χαμηλότερα από το Voc.

Η τάση διακοπής (Vco) είναι η τάση στην οποία η μπαταρία είναι πλήρως αποφορτισμένη, όπως καθορίζεται. Παρόλο που συνήθως απομένει η ισχύς της μπαταρίας, η λειτουργία σε τάση κάτω από το Vco μπορεί να προκαλέσει βλάβη στην μπαταρία.

★ Η χωρητικότητα μετρά τις συνολικές ώρες αμπέρ (AH) που μπορεί να παρέχει μια μπαταρία όταν είναι πλήρως φορτισμένη, έως ότου η Vt φτάσει σε Vco.

Ο ρυθμός εκφόρτισης φόρτισης (C-Rate) είναι ο ρυθμός με τον οποίο φορτίζεται ή αποφορτίζεται μια μπαταρία σε σχέση με την ονομαστική χωρητικότητά της. Για παράδειγμα, ένας ρυθμός 1C θα φορτίσει ή θα αποφορτίσει πλήρως την μπαταρία μέσα σε 1 ώρα. Με ρυθμό αποφόρτισης 0,5 C, η μπαταρία θα αποφορτιστεί πλήρως μέσα σε 2 ώρες. Η χρήση υψηλότερου C-Rate συνήθως μειώνει τη διαθέσιμη χωρητικότητα της μπαταρίας και μπορεί να προκαλέσει βλάβη στην μπαταρία.

★ Η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας (SoC) ποσοτικοποιεί την υπολειπόμενη χωρητικότητα της μπαταρίας ως ποσοστό της μέγιστης χωρητικότητας. Όταν το SoC φτάσει στο μηδέν και το Vt φτάσει στο Vco, μπορεί να υπάρχει ακόμα ισχύς μπαταρίας στην μπαταρία, αλλά χωρίς να καταστραφεί η μπαταρία και να επηρεαστεί η μελλοντική χωρητικότητα, η μπαταρία δεν μπορεί να αποφορτιστεί περαιτέρω.

★ Το βάθος εκφόρτισης (DoD) είναι ένα συμπλήρωμα του SoC, το οποίο μετρά το ποσοστό της χωρητικότητας της μπαταρίας που έχει αποφορτιστεί. DoD=100- SoC.

① Η διάρκεια ζωής είναι ο αριθμός των διαθέσιμων κύκλων πριν η μπαταρία φτάσει στο τέλος της διάρκειας ζωής της.

Το τέλος της διάρκειας ζωής της μπαταρίας (EoL) αναφέρεται στην αδυναμία της μπαταρίας να λειτουργήσει σύμφωνα με τις προκαθορισμένες ελάχιστες προδιαγραφές. Το EoL μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με διάφορους τρόπους:

① Η μείωση της χωρητικότητας βασίζεται στη δεδομένη ποσοστιαία μείωση της χωρητικότητας της μπαταρίας σε σύγκριση με την ονομαστική χωρητικότητα υπό καθορισμένες συνθήκες.

② Η εξασθένηση ισχύος βασίζεται στη μέγιστη ισχύ της μπαταρίας σε ένα δεδομένο ποσοστό σε σύγκριση με την ονομαστική ισχύ υπό καθορισμένες συνθήκες.

③ Η παροχή ενέργειας ποσοτικοποιεί τη συνολική ποσότητα ενέργειας που αναμένεται να επεξεργαστεί μια μπαταρία κατά τη διάρκεια ζωής της, όπως 30 MWh, με βάση συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας.

★ Η κατάσταση υγείας (SoH) της μπαταρίας μετρά το ποσοστό της ωφέλιμης ζωής που απομένει πριν φτάσει στο EoL.

Καμπύλη πόλωσης

Η καμπύλη εκφόρτισης μπαταρίας σχηματίζεται με βάση το φαινόμενο πόλωσης της μπαταρίας που εμφανίζεται κατά τη διαδικασία εκφόρτισης. Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να προσφέρει μια μπαταρία υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, όπως ο ρυθμός C και η θερμοκρασία λειτουργίας, σχετίζεται στενά με την περιοχή κάτω από την καμπύλη εκφόρτισης. Κατά τη διαδικασία αποφόρτισης, το Vt της μπαταρίας θα μειωθεί. Η μείωση της Vt σχετίζεται με διάφορους κύριους παράγοντες:

✔ Πτώση IR - Η μείωση της τάσης της μπαταρίας που προκαλείται από το ρεύμα που διέρχεται από την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας. Αυτός ο συντελεστής αυξάνεται γραμμικά με σχετικά υψηλό ρυθμό εκφόρτισης, με σταθερή θερμοκρασία.

✔ Πόλωση ενεργοποίησης - αναφέρεται σε διάφορους παράγοντες επιβράδυνσης που σχετίζονται με την κινητική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, όπως η συνάρτηση εργασίας που πρέπει να υπερνικήσουν τα ιόντα στη διασταύρωση μεταξύ ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών.

✔ Πόλωση συγκέντρωσης - Αυτός ο παράγοντας λαμβάνει υπόψη την αντίσταση που αντιμετωπίζουν τα ιόντα κατά τη μεταφορά μάζας (διάχυση) από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο. Αυτός ο παράγοντας κυριαρχεί όταν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πλήρως αποφορτισμένες και η κλίση της καμπύλης γίνεται πολύ απότομη.

Η καμπύλη πόλωσης (καμπύλη εκφόρτισης) της μπαταρίας δείχνει τα σωρευτικά αποτελέσματα της μείωσης IR, της πόλωσης ενεργοποίησης και της πόλωσης συγκέντρωσης στο Vt (δυναμικό μπαταρίας). (Εικόνα: BioLogic)

Θεωρήσεις καμπύλης εκφόρτισης

Οι μπαταρίες έχουν σχεδιαστεί για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και παρέχουν διάφορα χαρακτηριστικά απόδοσης. Για παράδειγμα, υπάρχουν τουλάχιστον έξι βασικά χημικά συστήματα ιόντων λιθίου, το καθένα με το δικό του μοναδικό σύνολο χαρακτηριστικών. Η καμπύλη εκφόρτισης συνήθως απεικονίζεται με Vt στον άξονα Υ, ενώ το SoC (ή DoD) στον άξονα Χ. Λόγω της συσχέτισης μεταξύ της απόδοσης της μπαταρίας και διαφόρων παραμέτρων όπως ο ρυθμός C και η θερμοκρασία λειτουργίας, κάθε χημικό σύστημα μπαταρίας έχει μια σειρά από καμπύλες εκφόρτισης που βασίζονται σε συγκεκριμένους συνδυασμούς παραμέτρων λειτουργίας. Για παράδειγμα, το παρακάτω σχήμα συγκρίνει την απόδοση εκφόρτισης δύο κοινών χημικών συστημάτων ιόντων λιθίου και μπαταριών μολύβδου-οξέος σε θερμοκρασία δωματίου και ρυθμό εκφόρτισης 0,2 C. Το σχήμα της καμπύλης εκφόρτισης έχει μεγάλη σημασία για τους σχεδιαστές.

Μια επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης μπορεί να απλοποιήσει ορισμένα σχέδια εφαρμογών, καθώς η τάση της μπαταρίας παραμένει σχετικά σταθερή σε ολόκληρο τον κύκλο εκφόρτισης. Από την άλλη πλευρά, η καμπύλη κλίσης μπορεί να απλοποιήσει την εκτίμηση της υπολειπόμενης φόρτισης, καθώς η τάση της μπαταρίας σχετίζεται στενά με την υπολειπόμενη φόρτιση της μπαταρίας. Ωστόσο, για μπαταρίες ιόντων λιθίου με επίπεδες καμπύλες εκφόρτισης, η εκτίμηση της υπολειπόμενης φόρτισης απαιτεί πιο σύνθετες μεθόδους, όπως η καταμέτρηση Coulomb, η οποία μετρά το ρεύμα εκφόρτισης της μπαταρίας και ενσωματώνει το ρεύμα με την πάροδο του χρόνου για την εκτίμηση της υπολειπόμενης φόρτισης.

Επιπλέον, οι μπαταρίες με καμπύλες εκφόρτισης με κλίση προς τα κάτω παρουσιάζουν μείωση της ισχύος σε όλο τον κύκλο εκφόρτισης. Μπορεί να απαιτείται μπαταρία «υπερβάλλοντος μεγέθους» για την υποστήριξη εφαρμογών υψηλής ισχύος στο τέλος του κύκλου εκφόρτισης. Συνήθως είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε έναν ρυθμιστή τάσης υπερπλήρωσης για την τροφοδοσία ευαίσθητων συσκευών και συστημάτων που χρησιμοποιούν μπαταρίες με απότομες καμπύλες εκφόρτισης.

Ακολουθεί η καμπύλη εκφόρτισης μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου, η οποία δείχνει ότι εάν η μπαταρία αποφορτιστεί με πολύ υψηλό ρυθμό (ή αντίστροφα, με χαμηλό ρυθμό), η πραγματική χωρητικότητα θα μειωθεί (ή θα αυξηθεί). Αυτό ονομάζεται μετατόπιση χωρητικότητας και αυτό το φαινόμενο είναι κοινό στα περισσότερα συστήματα χημείας μπαταριών.

Η τάση και η χωρητικότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου μειώνονται με την αύξηση του ρυθμού C. (Εικόνα: Richtek)

Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι μια σημαντική παράμετρος που επηρεάζει την απόδοση της μπαταρίας. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, οι μπαταρίες με ηλεκτρολύτες με βάση το νερό μπορεί να παγώσουν, περιορίζοντας το κατώτερο όριο του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας τους. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορεί να παρουσιάσουν εναπόθεση λιθίου με αρνητικό ηλεκτρόδιο σε χαμηλές θερμοκρασίες, μειώνοντας μόνιμα τη χωρητικότητα. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα χημικά μπορεί να αποσυντεθούν και η μπαταρία να σταματήσει να λειτουργεί. Μεταξύ του παγώματος και της χημικής ζημιάς, η απόδοση της μπαταρίας συνήθως ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τις αλλαγές θερμοκρασίας.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την επίδραση των διαφορετικών θερμοκρασιών στην απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η απόδοση μπορεί να μειωθεί σημαντικά. Ωστόσο, η καμπύλη εκφόρτισης της μπαταρίας είναι μόνο μία πτυχή της απόδοσης της μπαταρίας. Για παράδειγμα, όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση μεταξύ της θερμοκρασίας λειτουργίας των μπαταριών ιόντων λιθίου και της θερμοκρασίας δωματίου (είτε σε υψηλές είτε σε χαμηλές θερμοκρασίες), τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής του κύκλου. Για συγκεκριμένες εφαρμογές, μια πλήρης ανάλυση όλων των παραγόντων που επηρεάζουν τη δυνατότητα εφαρμογής διαφόρων χημικών συστημάτων μπαταρίας ξεφεύγει από το πεδίο εφαρμογής της καμπύλης εκφόρτισης μπαταρίας αυτού του άρθρου. Ένα παράδειγμα άλλων μεθόδων για την ανάλυση της απόδοσης διαφορετικών μπαταριών είναι η γραφική παράσταση Lagone.

Η τάση και η χωρητικότητα της μπαταρίας εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. (Εικόνα: Richtek)

Οικόπεδα Lagone

Το διάγραμμα Lagoon συγκρίνει τη συγκεκριμένη ισχύ και την ειδική ενέργεια διαφορετικών τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας. Για παράδειγμα, όταν εξετάζουμε τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, η συγκεκριμένη ενέργεια σχετίζεται με την εμβέλεια, ενώ η συγκεκριμένη ισχύς αντιστοιχεί στην απόδοση επιτάχυνσης.

Ένα διάγραμμα Ragone που συγκρίνει τη σχέση μεταξύ ειδικής ενέργειας και ειδικής ισχύος διαφόρων τεχνολογιών. (Εικόνα: Researchgate)

Το διάγραμμα της λιμνοθάλασσας βασίζεται στην πυκνότητα μάζας ενέργειας και στην πυκνότητα ισχύος και δεν περιλαμβάνει πληροφορίες που σχετίζονται με παραμέτρους όγκου. Παρόλο που ο μεταλλουργός David V. Lagone ανέπτυξε αυτούς τους χάρτες για να συγκρίνει την απόδοση διαφόρων χημικών μπαταριών, το διάγραμμα Lagone είναι επίσης κατάλληλο για σύγκριση οποιουδήποτε συνόλου συσκευών αποθήκευσης ενέργειας και ενέργειας, όπως κινητήρες, αεριοστρόβιλοι και κυψέλες καυσίμου.

Η αναλογία μεταξύ της ειδικής ενέργειας στον άξονα Υ και της ειδικής ισχύος στον άξονα Χ είναι ο αριθμός των ωρών που λειτουργεί η συσκευή με ονομαστική ισχύ. Το μέγεθος της συσκευής δεν επηρεάζει αυτή τη σχέση, καθώς οι μεγαλύτερες συσκευές θα έχουν αναλογικά υψηλότερη ισχύ και ενεργειακή χωρητικότητα. Η ισόχρονη καμπύλη που αντιπροσωπεύει σταθερό χρόνο λειτουργίας στο διάγραμμα Lagoon είναι μια ευθεία γραμμή.

Περίληψη

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε την καμπύλη εκφόρτισης μιας μπαταρίας και τις διάφορες παραμέτρους που συνθέτουν την οικογένεια της καμπύλης εκφόρτισης που σχετίζεται με τη συγκεκριμένη χημεία της μπαταρίας. Λόγω των πολύπλοκων ηλεκτροχημικών και θερμοδυναμικών συστημάτων, οι καμπύλες εκφόρτισης των μπαταριών είναι επίσης πολύπλοκες, αλλά αποτελούν μόνο έναν τρόπο κατανόησης των αντισταθμίσεων απόδοσης μεταξύ της χημείας και των δομών των μπαταριών.