Батареяның зарядсыздану қисығын қалай оқуға болады

Батареяның зарядсыздану қисығын қалай оқуға болады

Батареялар күрделі электрохимиялық және термодинамикалық жүйелер болып табылады және олардың жұмысына көптеген факторлар әсер етеді. Әрине, батареяның химиясы ең маңызды фактор болып табылады. Дегенмен, белгілі бір қолдану үшін батареяның қай түрі ең қолайлы екенін түсінгенде, зарядтың разряд жылдамдығы, жұмыс температурасы, сақтау шарттары және физикалық құрылым мәліметтері сияқты факторларды да ескеру қажет. Біріншіден, бірнеше терминдерді анықтау керек:

★ Ашық тізбек кернеуі (Voc) – батареяда жүктеме болмаған кездегі батарея терминалдары арасындағы кернеу.

★ Терминалды кернеу (Vt) - батареяға жүктеме түскен кездегі батарея терминалдары арасындағы кернеу; Әдетте Voc деңгейінен төмен.

Өшіру кернеуі (Vco) – көрсетілгендей аккумулятор толық зарядсызданған кездегі кернеу. Әдетте батарея қуаты қалғанымен, Vco-дан төмен кернеуде жұмыс істеу батареяны зақымдауы мүмкін.

★ Сыйымдылық Vt Vco мәніне жеткенше толық зарядталған кезде батарея қамтамасыз ете алатын жалпы ампер сағатын (AH) өлшейді.

Зарядтың зарядсыздану жылдамдығы (C-Rate) – аккумулятордың номиналды сыйымдылығына қатысты зарядталу немесе зарядсыздану жылдамдығы. Мысалы, 1С жылдамдығы аккумуляторды 1 сағат ішінде толық зарядтайды немесе разрядтайды. 0,5С зарядсыздану жылдамдығында аккумулятор 2 сағат ішінде толық зарядсызданады. Жоғары C-Rate пайдалану әдетте қол жетімді батарея сыйымдылығын азайтады және батареяны зақымдауы мүмкін.

★ Батареяны зарядтау күйі (SoC) қалған батарея сыйымдылығын максималды сыйымдылықтың пайызы ретінде көрсетеді. SoC нөлге жеткенде және Vt Vco мәніне жеткенде, батареяда әлі де батарея қуаты қалуы мүмкін, бірақ батареяны зақымдамай және болашақ сыйымдылыққа әсер етпей, батареяны одан әрі зарядсыздандыру мүмкін емес.

★ Зарядтау тереңдігі (DoD) зарядсызданған батарея сыйымдылығының пайызын өлшейтін SoC қосымшасы болып табылады; DoD=100- SoC.

① Циклдың қызмет ету мерзімі - батареяның қызмет ету мерзімі аяқталғанға дейінгі қолжетімді циклдар саны.

Батареяның қызмет ету мерзімінің аяқталуы (EoL) батареяның алдын ала белгіленген минималды сипаттамаларға сәйкес жұмыс істей алмауын білдіреді. EoL сандық мәнін әртүрлі тәсілдермен анықтауға болады:

① Сыйымдылықтың төмендеуі белгіленген шарттардағы номиналды сыйымдылықпен салыстырғанда батарея сыйымдылығының берілген пайыздық төмендеуіне негізделген.

② Қуатты әлсірету белгіленген шарттардағы номиналды қуатпен салыстырғанда берілген пайыздағы батареяның максималды қуатына негізделген.

③ Қуат өткізу қабілеті нақты жұмыс жағдайларына негізделген 30 МВт сағ сияқты батареяның қызмет ету мерзімі ішінде өңдеуі күтілетін энергияның жалпы көлемін көрсетеді.

★ Батареяның денсаулық күйі (SoH) EoL деңгейіне жеткенге дейін қалған пайдалы қызмет мерзімінің пайызын өлшейді.

Поляризация қисығы

Батареяның зарядсыздану қисығы зарядсыздандыру процесінде пайда болатын аккумулятордың поляризациялық әсерінің негізінде қалыптасады. Батарея әртүрлі жұмыс жағдайларында, мысалы, C жылдамдығы мен жұмыс температурасы кезінде қамтамасыз ете алатын қуат мөлшері разряд қисығы астындағы ауданмен тығыз байланысты. Зарядтау процесі кезінде батареяның Vt азаяды. Vt төмендеуі бірнеше негізгі факторларға байланысты:

✔ IR төмендеуі - батареяның ішкі кедергісі арқылы өтетін ток әсерінен батарея кернеуінің төмендеуі. Бұл фактор салыстырмалы жоғары разрядта, тұрақты температурада сызықты түрде артады.

✔ Белсендендіру поляризациясы - электрохимиялық реакциялардың кинетикасына байланысты әртүрлі баяулау факторларына жатады, мысалы, электродтар мен электролиттердің түйіскен жерінде иондар еңсеруге тиіс жұмыс функциясы.

✔ Концентрацияның поляризациясы - бұл фактор бір электродтан екінші электродқа массаны тасымалдау (диффузия) кезінде иондар кездесетін кедергіні ескереді. Бұл фактор литий-иондық батареялар толығымен зарядсызданған кезде басым болады және қисық қисық өте тік болады.

Батареяның поляризация қисығы (разряд қисығы) ИК төмендеуінің, белсендіру поляризациясының және Vt (батарея потенциалы) концентрациясының поляризациясының жиынтық әсерін көрсетеді. (Сурет: BioLogic)

Разряд қисығы туралы ойлар

Батареялар кең ауқымды қолданбаларға арналған және әртүрлі өнімділік сипаттамаларын қамтамасыз етеді. Мысалы, кем дегенде алты негізгі литий-иондық химиялық жүйе бар, олардың әрқайсысының өзіндік бірегей мүмкіндіктері бар. Разряд қисығы әдетте Y осінде Vt арқылы, ал X осінде SoC (немесе DoD) сызылады. Батарея өнімділігі мен C- жылдамдығы және жұмыс температурасы сияқты әртүрлі параметрлер арасындағы корреляцияға байланысты әрбір аккумулятордың химиялық жүйесінде белгілі бір жұмыс параметрінің комбинацияларына негізделген разряд қисықтарының сериясы болады. Мысалы, келесі суретте екі жалпы литий-ионды химиялық жүйенің және қорғасын-қышқылды аккумуляторлардың бөлме температурасында және 0,2С разряд жылдамдығында разрядтау өнімділігі салыстырылады. Дизайнерлер үшін разряд қисығының пішіні үлкен маңызға ие.

Тегіс разряд қисығы белгілі бір қолданбалы конструкцияларды жеңілдетеді, өйткені батарея кернеуі барлық зарядсыздандыру циклі бойына салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады. Екінші жағынан, көлбеу қисық қалдық зарядты бағалауды жеңілдетуі мүмкін, өйткені батарея кернеуі батареядағы қалдық зарядпен тығыз байланысты. Дегенмен, разрядтың қисық сызықтары бар литий-ионды батареялар үшін қалдық зарядты бағалау күрделірек әдістерді талап етеді, мысалы, кулондық санау, ол батареяның разряд тогын өлшейді және қалдық зарядты бағалау үшін уақыт бойынша токты біріктіреді.

Сонымен қатар, қисық разрядты төмен қарай қисайып тұрған батареялар бүкіл разряд циклі бойына қуат азаяды. Зарядтау циклінің соңында жоғары қуатты қолданбаларды қолдау үшін «артық өлшемді» батарея қажет болуы мүмкін. Әдетте тік разрядты қисықтары бар батареяларды пайдаланатын сезімтал құрылғылар мен жүйелерді қуаттандыру үшін күшейткіш кернеу реттегішін пайдалану қажет.

Төменде литий-ионды батареяның зарядсыздану қисығы берілген, ол батарея өте жоғары жылдамдықпен зарядсыздандырылса (немесе керісінше төмен жылдамдықпен), тиімді сыйымдылық азаяды (немесе артады). Бұл сыйымдылықты ауыстыру деп аталады және бұл әсер аккумуляторлық химиялық жүйелердің көпшілігінде жиі кездеседі.

Литий-иондық батареялардың кернеуі мен сыйымдылығы C жылдамдығының жоғарылауымен төмендейді. (Сурет: Richtek)

Жұмыс температурасы батареяның өнімділігіне әсер ететін маңызды параметр болып табылады. Өте төмен температураларда су негізіндегі электролиттері бар батареялар қатып қалуы мүмкін, бұл олардың жұмыс температурасының төменгі шегін шектейді. Литий-иондық батареялар төмен температурада электродты литийдің теріс тұндыруын сезініп, сыйымдылықты біржола төмендетеді. Жоғары температурада химиялық заттар ыдырауы және батарея жұмысын тоқтатуы мүмкін. Мұздату мен химиялық зақымдану арасында батарея өнімділігі әдетте температураның өзгеруіне байланысты айтарлықтай өзгереді.

Төмендегі суретте әртүрлі температуралардың литий-иондық батареялардың жұмысына әсері көрсетілген. Өте төмен температурада өнімділік айтарлықтай төмендеуі мүмкін. Дегенмен, батареяның зарядсыздану қисығы батарея өнімділігінің бір ғана аспектісі болып табылады. Мысалы, литий-ионды аккумуляторлардың жұмыс температурасы мен бөлме температурасы (жоғары немесе төмен температурада) арасындағы ауытқу неғұрлым көп болса, циклдің қызмет ету мерзімі соғұрлым аз болады. Арнайы қолданбалар үшін әртүрлі аккумуляторлық химиялық жүйелердің қолданылуына әсер ететін барлық факторлардың толық талдауы осы мақаладағы батареяның зарядсыздану қисығының ауқымынан тыс. Әртүрлі батареялардың өнімділігін талдаудың басқа әдістерінің мысалы ретінде Лагон графигін келтіруге болады.

Батареяның кернеуі мен сыйымдылығы температураға байланысты. (Сурет: Richtek)

Лагон сюжеттері

Лагун диаграммасы әртүрлі энергия сақтау технологияларының меншікті қуаты мен меншікті энергиясын салыстырады. Мысалы, электр көліктерінің аккумуляторларын қарастырғанда, меншікті қуат диапазонға байланысты, ал меншікті қуат жеделдету өнімділігіне сәйкес келеді.

Әртүрлі технологиялардың меншікті энергиясы мен меншікті қуаты арасындағы қатынасты салыстыратын Рагон диаграммасы. (Сурет: Researchgate)

Лагун диаграммасы массалық энергия тығыздығы мен қуат тығыздығына негізделген және көлем параметрлеріне қатысты ешқандай ақпаратты қамтымайды. Металлург Дэвид В. Лагон бұл диаграммаларды әртүрлі аккумуляторлар химиясының өнімділігін салыстыру үшін жасағанымен, Lagone диаграммасы қозғалтқыштар, газ турбиналары және отын элементтері сияқты кез келген энергия жинақтау және қуат құрылғыларын салыстыру үшін қолайлы.

Y осіндегі меншікті энергия мен X осіндегі меншікті қуат арасындағы қатынас құрылғының номиналды қуатта жұмыс істейтін сағат саны болып табылады. Құрылғының өлшемі бұл қатынасқа әсер етпейді, өйткені үлкенірек құрылғылар пропорционалды түрде жоғары қуат пен қуат сыйымдылығына ие болады. Лагун диаграммасында тұрақты жұмыс уақытын көрсететін изохронды қисық түзу сызық болып табылады.

Түйіндеме

Батареяның зарядсыздану қисығын және батареяның нақты химиясына қатысты разряд қисығы тобын құрайтын әртүрлі параметрлерді түсіну маңызды. Күрделі электрохимиялық және термодинамикалық жүйелердің арқасында батареялардың зарядсыздану қисықтары да күрделі, бірақ олар әртүрлі аккумуляторлар химиясы мен құрылымдары арасындағы өнімділік сәйкестігін түсінудің бір жолы ғана.