Az akkumulátor lemerülési görbéjének leolvasása

Az akkumulátor lemerülési görbéjének leolvasása

Az akkumulátorok összetett elektrokémiai és termodinamikai rendszerek, amelyek teljesítményét számos tényező befolyásolja. Természetesen az akkumulátor kémiája a legfontosabb tényező. Azonban annak megértéséhez, hogy melyik típusú akkumulátor a legalkalmasabb egy adott alkalmazáshoz, olyan tényezőket is figyelembe kell venni, mint a töltési sebesség, az üzemi hőmérséklet, a tárolási feltételek és a fizikai szerkezet részletei. Először is meg kell határozni néhány kifejezést:

★ A nyitott áramköri feszültség (Voc) az a feszültség az akkumulátor kivezetései között, amikor nincs terhelés az akkumulátoron.

★ A kivezetési feszültség (Vt) az akkumulátor kivezetései közötti feszültség, amikor az akkumulátort terhelik; Általában alacsonyabb, mint a Voc.

A lekapcsolási feszültség (Vco) az a feszültség, amelynél az akkumulátor teljesen lemerül, az előírásoknak megfelelően. Bár általában van maradék akkumulátor töltöttség, a Vco alatti feszültség használata károsíthatja az akkumulátort.

★ A kapacitás azt a teljes amperórát (AH) méri, amelyet egy akkumulátor képes biztosítani teljesen feltöltött állapotban, amíg a Vt el nem éri a Vco-t.

A töltéskisülési sebesség (C-Rate) az a sebesség, amellyel az akkumulátor a névleges kapacitásához viszonyítva töltődik vagy lemerül. Például 1C sebességgel az akkumulátor 1 órán belül teljesen feltöltődik vagy lemerül. 0,5 C-os kisütési sebességnél az akkumulátor 2 órán belül teljesen lemerül. A magasabb C-arány használata általában csökkenti az akkumulátor kapacitását, és károsíthatja az akkumulátort.

★ Az akkumulátor töltési állapota (SoC) a maradék akkumulátorkapacitást a maximális kapacitás százalékában fejezi ki. Amikor a SoC eléri a nullát, és a Vt eléri a Vco-t, előfordulhat, hogy az akkumulátorban még mindig van maradék akkumulátor, de anélkül, hogy károsítaná az akkumulátort és befolyásolná a jövőbeli kapacitást, az akkumulátort nem lehet tovább lemeríteni.

★ A kisülési mélység (DoD) az SoC kiegészítése, amely az akkumulátor lemerült kapacitásának százalékos arányát méri; DoD=100- SoC.

① A ciklus élettartama a rendelkezésre álló ciklusok száma, mielőtt az akkumulátor eléri élettartama végét.

Az akkumulátor élettartamának vége (EoL) arra utal, hogy az akkumulátor nem képes az előre meghatározott minimális előírásoknak megfelelően működni. Az EoL számszerűsítése többféleképpen lehetséges:

① A kapacitáscsökkenés az akkumulátor kapacitásának adott százalékos csökkenésén alapul a névleges kapacitáshoz képest meghatározott feltételek mellett.

② A teljesítménycsillapítás az akkumulátor adott százalékos maximális teljesítményén alapul, a megadott feltételek melletti névleges teljesítményhez viszonyítva.

③ Az energiaátbocsátás számszerűsíti azt a teljes energiamennyiséget, amelyet az akkumulátor élettartama során várhatóan feldolgozni fog, például 30 MWh, meghatározott működési feltételek alapján.

★ Az akkumulátor egészségi állapota (SoH) méri az EoL elérése előtt hátralévő hasznos élettartam százalékos arányát.

Polarizációs görbe

Az akkumulátor kisülési görbéje az akkumulátor kisülési folyamata során fellépő polarizációs hatása alapján jön létre. Az az energiamennyiség, amelyet egy akkumulátor különböző üzemi körülmények között, például C-sebesség és üzemi hőmérséklet mellett képes biztosítani, szorosan összefügg a kisülési görbe alatti területtel. A kisütési folyamat során az akkumulátor Vt-je csökken. A Vt csökkenése több fő tényezővel függ össze:

✔ IR esés - Az akkumulátor feszültségének csökkenése, amelyet az akkumulátor belső ellenállásán áthaladó áram okoz. Ez a tényező lineárisan növekszik viszonylag nagy kisülési sebesség mellett, állandó hőmérséklet mellett.

✔ Aktivációs polarizáció – az elektrokémiai reakciók kinetikájával kapcsolatos különféle lassítási tényezőkre utal, mint például az ionoknak az elektródák és az elektrolitok találkozásánál leküzdendő munkafunkciójára.

✔ Koncentrációs polarizáció - Ez a tényező figyelembe veszi az ionok ellenállását az egyik elektródáról a másikra való tömegátvitel (diffúzió) során. Ez a tényező dominál, ha a lítium-ion akkumulátorok teljesen lemerültek, és a görbe meredeksége nagyon meredek lesz.

Az akkumulátor polarizációs görbéje (kisülési görbe) az IR csökkenés, az aktiválási polarizáció és a koncentráció polarizáció Vt-re (akkumulátorpotenciálra) gyakorolt ​​kumulatív hatását mutatja. (Kép: BioLogic)

A kisülési görbe szempontjai

Az akkumulátorokat sokféle alkalmazásra tervezték, és különféle teljesítményjellemzőket biztosítanak. Például legalább hat alapvető lítium-ion kémiai rendszer létezik, amelyek mindegyike saját egyedi jellemzőkkel rendelkezik. A kisülési görbe általában Vt-vel van ábrázolva az Y tengelyen, míg a SoC (vagy DoD) az X tengelyen. Az akkumulátor teljesítménye és a különféle paraméterek, mint például a C-sebesség és az üzemi hőmérséklet közötti összefüggés miatt minden akkumulátor vegyi rendszernek van egy sor kisülési görbéje, amelyek meghatározott működési paraméter-kombinációkon alapulnak. Például a következő ábra összehasonlítja két általánosan elterjedt lítium-ion vegyi rendszer és az ólom-savas akkumulátorok kisülési teljesítményét szobahőmérsékleten és 0,2 C-os kisütési sebesség mellett. A kisülési görbe alakja nagy jelentőséggel bír a tervezők számára.

A lapos kisütési görbe leegyszerűsíthet bizonyos alkalmazási terveket, mivel az akkumulátor feszültsége viszonylag stabil marad a teljes kisütési ciklus alatt. Másrészt a meredekséggörbe leegyszerűsítheti a maradék töltés becslését, mivel az akkumulátor feszültsége szorosan összefügg az akkumulátor maradék töltésével. A lapos kisütési görbékkel rendelkező lítium-ion akkumulátorok esetében azonban a maradéktöltés becslése bonyolultabb módszereket igényel, például a Coulomb-számlálást, amely méri az akkumulátor kisülési áramát, és integrálja az áramot az idő függvényében a maradék töltés becsléséhez.

Ezenkívül a lefelé lejtő kisülési görbékkel rendelkező akkumulátorok teljesítménye a teljes kisütési ciklus során csökken. „Túlméretes” akkumulátorra lehet szükség a nagy teljesítményű alkalmazások támogatásához a kisütési ciklus végén. Általában erősítő feszültségszabályozót kell használni az érzékeny eszközök és rendszerek táplálásához, amelyek meredek kisülési görbékkel rendelkező akkumulátorokat használnak.

Az alábbiakban egy lítium-ion akkumulátor kisülési görbéjét mutatjuk be, amely azt mutatja, hogy ha az akkumulátor nagyon nagy sebességgel (vagy fordítva, alacsony ütemben) merül le, akkor az effektív kapacitás csökken (vagy nő). Ezt kapacitáseltolódásnak nevezik, és ez a hatás gyakori a legtöbb akkumulátorkémiai rendszerben.

A lítium-ion akkumulátorok feszültsége és kapacitása a C sebesség növekedésével csökken. (Kép: Richtek)

Az üzemi hőmérséklet fontos paraméter, amely befolyásolja az akkumulátor teljesítményét. Nagyon alacsony hőmérsékleten a vízbázisú elektrolitot tartalmazó akkumulátorok megfagyhatnak, ami korlátozza működési hőmérsékleti tartományuk alsó határát. A lítium-ion akkumulátorok alacsony hőmérsékleten negatív elektróda lítiumlerakódást tapasztalhatnak, ami tartósan csökkenti a kapacitást. Magas hőmérsékleten a vegyszerek lebomlanak, és az akkumulátor leállhat. A fagyás és a vegyi sérülések között az akkumulátor teljesítménye általában jelentősen változik a hőmérséklet változásaival.

A következő ábra a különböző hőmérsékletek hatását mutatja a lítium-ion akkumulátorok teljesítményére. Nagyon alacsony hőmérsékleten a teljesítmény jelentősen csökkenhet. Az akkumulátor lemerülési görbéje azonban csak az akkumulátor teljesítményének egyik aspektusa. Például minél nagyobb az eltérés a lítium-ion akkumulátorok üzemi hőmérséklete és a szobahőmérséklet között (akár magas, akár alacsony hőmérsékleten), annál alacsonyabb a ciklus élettartama. Különleges alkalmazások esetén a különféle akkumulátor-kémiai rendszerek alkalmazhatóságát befolyásoló összes tényező teljes elemzése túlmutat e cikk akkumulátorkisülési görbéjén. A különböző akkumulátorok teljesítményének elemzésére szolgáló egyéb módszerek példája a Lagone-diagram.

Az akkumulátor feszültsége és kapacitása a hőmérséklettől függ. (Kép: Richtek)

Lagone telkek

A Lagúna diagram összehasonlítja a különböző energiatárolási technológiák fajlagos teljesítményét és fajlagos energiáját. Például, ha az elektromos járművek akkumulátorait vesszük figyelembe, a fajlagos energia a hatótávolsághoz kapcsolódik, míg a fajlagos teljesítmény a gyorsulási teljesítménynek felel meg.

Egy Ragone-diagram, amely összehasonlítja a különböző technológiák fajlagos energiája és fajlagos teljesítménye közötti kapcsolatot. (Kép: Researchgate)

A Lagoon diagram a tömegenergia-sűrűségen és a teljesítménysűrűségen alapul, és nem tartalmaz semmilyen információt a térfogati paraméterekkel kapcsolatban. Bár David V. Lagone kohász dolgozta ki ezeket a diagramokat a különféle akkumulátor-kémia teljesítményének összehasonlítására, a Lagone-diagram alkalmas bármilyen energiatároló és energiaeszköz-készlet, például motorok, gázturbinák és üzemanyagcellák összehasonlítására is.

Az Y tengely fajlagos energiája és az X tengely fajlagos teljesítménye közötti arány a készülék névleges teljesítménnyel üzemelő órák száma. A készülék mérete nem befolyásolja ezt az összefüggést, mivel a nagyobb készülékek arányosan nagyobb teljesítményt és energiakapacitást kapnak. A Lagoon diagramon az állandó működési időt jelző izokron görbe egy egyenes.

Összegzés

Fontos megérteni az akkumulátor kisülési görbéjét és azokat a különböző paramétereket, amelyek a kisülési görbe családot alkotják az akkumulátor adott kémiájához kapcsolódóan. A bonyolult elektrokémiai és termodinamikai rendszerek miatt az akkumulátorok kisülési görbéi is összetettek, de ezek csak egy módja annak, hogy megértsük az akkumulátorok különböző kémiája és szerkezetei közötti teljesítménybeli kompromisszumot.