Teorie nabíjení a vybíjení lithiových baterií

Teorie nabíjení a vybíjení lithiových baterií

1.1 Stav nabití (SOC)

Stav nabití lze definovat jako stav dostupné elektrické energie v baterii, obvykle vyjádřený v procentech. Protože se dostupná elektrická energie mění v závislosti na nabíjecím a vybíjecím proudu, teplotě a jevu stárnutí, je definice stavu nabití také rozdělena do dvou typů: Absolutní stav nabití (ASOC) a relativní stav nabití (RSOC). Rozsah relativního stavu nabití je obvykle 0% -100%, přičemž baterie je 100% při plném nabití a 0% při úplném vybití. Absolutní stav nabití je referenční hodnota vypočítaná na základě navržené hodnoty pevné kapacity při výrobě baterie. Absolutní stav nabití zcela nové plně nabité baterie je 100 %; I když je stárnoucí baterie plně nabitá, nemůže dosáhnout 100 % za různých podmínek nabíjení a vybíjení.

Následující obrázek ukazuje vztah mezi napětím a kapacitou baterie při různých rychlostech vybíjení. Čím vyšší je rychlost vybíjení, tím nižší je kapacita baterie. Při nízké teplotě se také sníží kapacita baterie.

                          Obrázek 1. Vztah mezi napětím a kapacitou při různých rychlostech vybíjení a teplotách

1.2 Maximální nabíjecí napětí

Nejvyšší nabíjecí napětí souvisí s chemickým složením a vlastnostmi baterie. Nabíjecí napětí lithiových baterií je obvykle 4,2 V a 4,35 V a hodnoty napětí se mohou lišit v závislosti na materiálu katody a anody.

1.3 Plně nabito

Když je rozdíl mezi napětím baterie a nejvyšším nabíjecím napětím menší než 100 mV a nabíjecí proud klesne na C/10, lze baterii považovat za plně nabitou. Vlastnosti baterií se liší a také se liší podmínky pro úplné nabití.

Následující obrázek ukazuje typickou charakteristiku nabíjení lithiové baterie. Když se napětí baterie rovná nejvyššímu nabíjecímu napětí a nabíjecí proud klesne na C/10, je baterie považována za plně nabitou.

                             Obrázek 2. Charakteristická křivka nabíjení lithiové baterie

1.4 Minimální vybíjecí napětí

Minimální vybíjecí napětí lze definovat jako mezní vybíjecí napětí, obvykle napětí ve stavu nabití 0 %. Tato hodnota napětí není pevnou hodnotou, ale mění se se zatížením, teplotou, stupněm stárnutí nebo jinými faktory.

1.5 Úplné vybití

Když je napětí baterie menší nebo rovno minimálnímu vybíjecímu napětí, lze to nazvat úplné vybití.

1.6 Rychlost vybíjení nabíjení (C-Rate)

Rychlost vybíjení je vyjádřením vybíjecího proudu ve vztahu ke kapacitě baterie. Pokud se například 1C používá k vybíjení po dobu jedné hodiny, v ideálním případě se baterie zcela vybije. Různé rychlosti nabíjení a vybíjení budou mít za následek různé dostupné kapacity. Obvykle platí, že čím vyšší je rychlost vybíjení, tím menší je dostupná kapacita.

1.7 Životnost cyklu

Počet cyklů je počet, kolikrát baterie prošla úplným nabitím a vybitím, což lze odhadnout ze skutečné vybíjecí kapacity a projektované kapacity. Kdykoli se akumulovaná kapacita vypouštění rovná projektované kapacitě, počet cyklů je jeden. Obvykle se po 500 nabíjecích a vybíjecích cyklech kapacita plně nabité baterie sníží o 10 % až 20 %.

                          Obrázek 3. Vztah mezi dobami cyklů a kapacitou baterie

1.8 Samovybíjení

Samovybíjení všech baterií se zvyšuje s rostoucí teplotou. Samovybíjení v zásadě není výrobní vadou, ale spíše charakteristikou baterie samotné. Nesprávná manipulace během výrobního procesu však může také vést ke zvýšení samovybíjení. Obvykle se s každým zvýšením teploty baterie o 10 °C rychlost samovybíjení zdvojnásobí. Lithium-iontové baterie mají měsíční samovybíjecí kapacitu přibližně 1-2 %, zatímco různé niklové baterie mají měsíční samovybíjecí kapacitu 10-15 %.

                             Obrázek 4. Rychlost samovybíjení lithiových baterií při různých teplotách