2023-08-09
Jak číst křivku vybíjení baterie
Baterie jsou složité elektrochemické a termodynamické systémy a jejich výkon ovlivňuje více faktorů. Nejdůležitějším faktorem je samozřejmě chemie baterie. Když však pochopíme, který typ baterie je pro konkrétní aplikaci nejvhodnější, je také nutné vzít v úvahu faktory, jako je rychlost vybíjení nabití, provozní teplota, podmínky skladování a detaily fyzické struktury. Nejprve je třeba definovat několik pojmů:
★ Napětí naprázdno (Voc) je napětí mezi svorkami baterie, když není baterie zatížena.
★ Svorkové napětí (Vt) je napětí mezi svorkami baterie, když je na baterii aplikována zátěž; Obvykle nižší než Voc.
Mezní napětí (Vco) je napětí, při kterém je baterie zcela vybitá, jak je uvedeno. Přestože obvykle zbývá baterie, provoz při napětí nižším než Vco může baterii poškodit.
★ Kapacita měří celkové ampérhodiny (AH), které může baterie poskytnout, když je plně nabitá, dokud Vt nedosáhne Vco.
Rychlost vybíjení (C-Rate) je rychlost, kterou se baterie nabíjí nebo vybíjí vzhledem k její jmenovité kapacitě. Například rychlost 1C plně nabije nebo vybije baterii během 1 hodiny. Při rychlosti vybíjení 0,5C se baterie zcela vybije do 2 hodin. Použití vyšší C-Rate obvykle snižuje dostupnou kapacitu baterie a může baterii poškodit.
★ Stav nabití baterie (SoC) kvantifikuje zbývající kapacitu baterie jako procento maximální kapacity. Když SoC dosáhne nuly a Vt dosáhne Vco, může být v baterii stále zbývající energie, ale bez poškození baterie a ovlivnění budoucí kapacity nelze baterii dále vybíjet.
★ Hloubka vybití (DoD) je doplněk SoC, který měří procento vybité kapacity baterie; DoD=100- SoC.
① Životnost cyklu je počet dostupných cyklů, než baterie dosáhne konce své životnosti.
Konec životnosti baterie (EoL) označuje neschopnost baterie fungovat podle předem stanovených minimálních specifikací. EoL lze kvantifikovat různými způsoby:
① Snížení kapacity je založeno na daném procentuálním poklesu kapacity baterie ve srovnání s jmenovitou kapacitou za specifikovaných podmínek.
② Útlum výkonu je založen na maximálním výkonu baterie při daném procentu v porovnání s jmenovitým výkonem za specifikovaných podmínek.
③ Energetická propustnost kvantifikuje celkové množství energie, které se očekává, že baterie zpracuje během své životnosti, např. 30 MWh, na základě konkrétních provozních podmínek.
★ Zdravotní stav (SoH) baterie měří procento životnosti zbývající před dosažením EoL.
Polarizační křivka
Křivka vybíjení baterie je vytvořena na základě polarizačního efektu baterie, ke kterému dochází během procesu vybíjení. Množství energie, kterou může baterie poskytnout za různých provozních podmínek, jako je C-rate a provozní teplota, úzce souvisí s plochou pod vybíjecí křivkou. Během procesu vybíjení se Vt baterie sníží. Pokles Vt souvisí s několika hlavními faktory:
✔ IR pokles - Snížení napětí baterie způsobené proudem procházejícím vnitřním odporem baterie. Tento faktor se lineárně zvyšuje při relativně vysoké rychlosti vybíjení a konstantní teplotě.
✔ Polarizace aktivace – odkazuje na různé faktory zpomalení související s kinetikou elektrochemických reakcí, jako je pracovní funkce, kterou musí ionty překonat na spoji mezi elektrodami a elektrolyty.
✔ Koncentrační polarizace – Tento faktor zohledňuje odpor, kterému čelí ionty během přenosu hmoty (difúze) z jedné elektrody na druhou. Tento faktor dominuje při úplném vybití lithium-iontových baterií a sklon křivky je velmi strmý.
Úvahy o vybíjecí křivce
Baterie byly navrženy pro širokou škálu aplikací a poskytují různé výkonové charakteristiky. Například existuje nejméně šest základních lithium-iontových chemických systémů, z nichž každý má svou vlastní unikátní sadu funkcí. Výbojová křivka je obvykle vynesena s Vt na ose Y, zatímco SoC (nebo DoD) je vynesena na ose X. Vzhledem ke korelaci mezi výkonem baterie a různými parametry, jako je rychlost C a provozní teplota, má každý chemický systém baterie řadu vybíjecích křivek založených na specifických kombinacích provozních parametrů. Například následující obrázek porovnává vybíjecí výkon dvou běžných lithium-iontových chemických systémů a olověných baterií při pokojové teplotě a rychlosti vybíjení 0,2C. Tvar vybíjecí křivky má pro konstruktéry velký význam.
Plochá vybíjecí křivka může zjednodušit některé návrhy aplikací, protože napětí baterie zůstává relativně stabilní během celého vybíjecího cyklu. Na druhou stranu může křivka sklonu zjednodušit odhad zbytkového nabití, protože napětí baterie úzce souvisí se zbytkovým nábojem v baterii. U lithium-iontových baterií s plochými vybíjecími křivkami však odhad zbytkového nabití vyžaduje složitější metody, jako je Coulombovo počítání, které měří vybíjecí proud baterie a integruje proud v průběhu času pro odhad zbytkového nabití.
Navíc baterie s klesajícími vybíjecími křivkami zaznamenají pokles výkonu během celého vybíjecího cyklu. Pro podporu aplikací s vysokým výkonem na konci vybíjecího cyklu může být vyžadována „nadměrná“ baterie. Pro napájení citlivých zařízení a systémů využívajících baterie se strmými vybíjecími křivkami je obvykle nutné použít regulátor boost napětí.
Následuje vybíjecí křivka lithium-iontové baterie, která ukazuje, že pokud je baterie vybíjena velmi vysokou rychlostí (nebo naopak nízkou rychlostí), efektivní kapacita se sníží (nebo zvýší). Tomu se říká posun kapacity a tento efekt je běžný u většiny systémů chemie baterií.
Napětí a kapacita lithium-iontových baterií klesají se zvyšováním rychlosti C. (Obrázek: Richtek)
Pracovní teplota je důležitý parametr, který ovlivňuje výkon baterie. Při velmi nízkých teplotách mohou baterie s elektrolyty na vodní bázi zamrznout, což omezuje spodní hranici rozsahu jejich provozních teplot. Lithium-iontové baterie mohou při nízkých teplotách zaznamenat zápornou elektrodu lithia, což trvale snižuje kapacitu. Při vysokých teplotách se mohou chemikálie rozkládat a baterie může přestat fungovat. Mezi mrazem a chemickým poškozením se výkon baterie obvykle výrazně liší se změnami teploty.
Následující obrázek ukazuje vliv různých teplot na výkon lithium-iontových baterií. Při velmi nízkých teplotách se může výkon výrazně snížit. Křivka vybíjení baterie je však pouze jedním aspektem výkonu baterie. Například čím větší je odchylka mezi provozní teplotou lithium-iontových baterií a teplotou v místnosti (ať už při vysokých nebo nízkých teplotách), tím nižší je životnost cyklu. Pro specifické aplikace je kompletní analýza všech faktorů ovlivňujících použitelnost různých chemických systémů baterií mimo rozsah křivky vybíjení baterie v tomto článku. Příkladem dalších metod pro analýzu výkonu různých baterií je Lagonův graf.
Napětí a kapacita baterie závisí na teplotě. (Obrázek: Richtek)
Lagone parcely
Diagram Lagoon porovnává měrný výkon a měrnou energii různých technologií skladování energie. Například při zvažování baterií elektrických vozidel se specifická energie vztahuje k dojezdu, zatímco specifický výkon odpovídá výkonu zrychlení.
Diagram Lagoon je založen na hustotě energie a hustotě výkonu a neobsahuje žádné informace týkající se objemových parametrů. Přestože metalurg David V. Lagone vyvinul tyto grafy pro srovnání výkonu různých chemických látek v bateriích, je graf Lagone vhodný také pro srovnání jakékoli sady zařízení pro ukládání energie a energetických zařízení, jako jsou motory, plynové turbíny a palivové články.
Poměr mezi měrnou energií na ose Y a měrným výkonem na ose X je počet hodin, po které zařízení pracuje při jmenovitém výkonu. Velikost zařízení tento vztah neovlivňuje, protože větší zařízení budou mít úměrně vyšší výkon a energetickou kapacitu. Izochronní křivka představující konstantní provozní dobu na diagramu Lagoon je přímka.
Shrnutí
Je důležité porozumět vybíjecí křivce baterie a různým parametrům, které tvoří rodinu vybíjecích křivek souvisejících s konkrétní chemií baterie. Vzhledem ke složitým elektrochemickým a termodynamickým systémům jsou vybíjecí křivky baterií také složité, ale představují pouze způsob, jak pochopit výkonnostní kompromisy mezi různými chemickými látkami a strukturami baterií.