Udhëzues gjithëpërfshirës për analizën e kurbës së shkarkimit të baterisë litium-jon

Testi i performancës më i përdorur i baterisë litium-jon - strategjia e analizës së kurbës së shkarkimit

Kur bateria litium-jon shkarkohet, voltazhi i saj i punës ndryshon vazhdimisht me kalimin e kohës. Tensioni i punës i baterisë përdoret si ordinatë, koha e shkarkimit ose kapaciteti, ose gjendja e ngarkimit (SOC), ose thellësia e shkarkimit (DOD) si abshisa, dhe kurba e tërhequr quhet kurba e shkarkimit. Për të kuptuar kurbën karakteristike të shkarkimit të një baterie, së pari duhet të kuptojmë tensionin e baterisë në parim.

[Tensioni i baterisë]

Që reaksioni i elektrodës të formohet, bateria duhet të plotësojë kushtet e mëposhtme: procesi i humbjes së elektronit në reaksionin kimik (dmth procesi i oksidimit) dhe procesi i marrjes së elektronit (dmth procesi i reaksionit të reduktimit) duhet të ndahen në dy zona të ndryshme. i cili është i ndryshëm nga reaksioni i përgjithshëm redoks; reaksioni redoks i substancës aktive të dy elektrodave duhet të transmetohet nga qarku i jashtëm, i cili është i ndryshëm nga reaksioni i mikrobaterisë në procesin e korrozionit të metaleve. Tensioni i baterisë është diferenca potenciale midis elektrodës pozitive dhe elektrodës negative. Parametrat kryesorë specifikë përfshijnë tensionin e qarkut të hapur, tensionin e punës, tensionin e ndërprerjes së ngarkimit dhe shkarkimit, etj.

[Potenciali elektrod i materialit të baterisë litium-jon]

Potenciali i elektrodës i referohet zhytjes së një materiali të ngurtë në tretësirën e elektrolitit, duke treguar efektin elektrik, domethënë ndryshimin potencial midis sipërfaqes së metalit dhe tretësirës. Ky ndryshim potencial quhet potencial i metalit në tretësirë ​​ose potencial i elektrodës. Me pak fjalë, potenciali i elektrodës është një tendencë që një jon ose atom të marrë një elektron.

Prandaj, për një elektrodë të caktuar pozitive ose një material elektrodë negative, kur vendoset në një elektrolit me një kripë litiumi, potenciali i elektrodës së tij shprehet si:

Ku φ c është potenciali i elektrodës së kësaj substance. Potenciali standard i elektrodës së hidrogjenit u vendos të ishte 0.0 V.

[Tensioni i qarkut të hapur të baterisë]

Forca elektromotore e baterisë është vlera teorike e llogaritur sipas reaksionit të baterisë duke përdorur metodën termodinamike, domethënë diferenca midis potencialit të elektrodës ekuilibër të baterisë dhe elektrodave pozitive dhe negative kur qarku prishet është vlera maksimale. që bateria mund të japë tensionin. Në fakt, elektrodat pozitive dhe negative nuk janë domosdoshmërisht në gjendjen e ekuilibrit termodinamik në elektrolit, domethënë, potenciali i elektrodës i krijuar nga elektrodat pozitive dhe negative të baterisë në tretësirën e elektrolitit zakonisht nuk është potenciali i elektrodës së ekuilibrit, kështu që Tensioni i qarkut të hapur të baterisë është përgjithësisht më i vogël se forca e tij elektromotore. Për reaksionin e elektrodës:

Duke marrë parasysh gjendjen jo standarde të përbërësit reaktant dhe aktivitetin (ose përqendrimin) e përbërësit aktiv me kalimin e kohës, tensioni aktual i qarkut të hapur të qelizës modifikohet nga ekuacioni i energjisë:

Ku R është konstanta e gazit, T është temperatura e reaksionit dhe a është aktiviteti ose përqendrimi i përbërësit. Tensioni i qarkut të hapur të baterisë varet nga vetitë e materialit të elektrodës pozitive dhe negative, elektrolitit dhe kushteve të temperaturës dhe është i pavarur nga gjeometria dhe madhësia e baterisë. Përgatitja e materialit të elektrodës së joneve të litiumit në pol, dhe fleta metalike e litiumit e montuar në një buton gjysmë baterie, mund të matë materialin e elektrodës në gjendje të ndryshme SOC të tensionit të hapur, kurba e tensionit të hapur është reagimi i gjendjes së ngarkesës së materialit të elektrodës, rënia e hapur e tensionit të ruajtjes së baterisë, por jo shumë i madh, nëse rënia e tensionit të hapur shumë shpejt ose amplituda është fenomen jonormal. Ndryshimi i gjendjes sipërfaqësore të substancave aktive bipolare dhe vetë-shkarkimi i baterisë janë arsyet kryesore për uljen e tensionit të qarkut të hapur në ruajtje, duke përfshirë ndryshimin e shtresës së maskës së tabelës së materialit elektrodë pozitive dhe negative; ndryshimi i mundshëm i shkaktuar nga paqëndrueshmëria termodinamike e elektrodës, shpërbërja dhe precipitimi i papastërtive të huaja metalike dhe mikro qarku i shkurtër i shkaktuar nga diafragma ndërmjet elektrodave pozitive dhe negative. Kur bateria e joneve litium po plaket, ndryshimi i vlerës K (rënia e tensionit) është procesi i formimit dhe stabilitetit të filmit SEI në sipërfaqen e materialit të elektrodës. Nëse rënia e tensionit është shumë e madhe, ka një mikro-qark të shkurtër brenda dhe bateria vlerësohet të jetë e pakualifikuar.

[Polarizimi i baterisë]

Kur rryma kalon nëpër elektrodë, fenomeni që elektroda devijon nga potenciali i elektrodës së ekuilibrit quhet polarizim dhe polarizimi gjeneron mbipotencialin. Sipas shkaqeve të polarizimit, polarizimi mund të ndahet në polarizimin omik, polarizimin e përqendrimit dhe polarizimin elektrokimik. FIK. 2 është kurba tipike e shkarkimit të baterisë dhe ndikimi i polarizimit të ndryshëm në tension.

 Figura 1. Kurba tipike e shkarkimit dhe polarizimi

(1) Polarizimi omik: i shkaktuar nga rezistenca e secilës pjesë të baterisë, vlera e rënies së presionit ndjek ligjin e Ohm-it, rryma zvogëlohet, polarizimi zvogëlohet menjëherë dhe rryma zhduket menjëherë pasi ndalon.

(2) Polarizimi elektrokimik: polarizimi shkaktohet nga reaksioni i ngadaltë elektrokimik në sipërfaqen e elektrodës. Ajo u ul ndjeshëm brenda nivelit të mikrosekondës ndërsa rryma bëhet më e vogël.

(3) Polarizimi i përqendrimit: për shkak të vonesës së procesit të difuzionit të joneve në tretësirë, diferenca e përqendrimit midis sipërfaqes së elektrodës dhe trupit të tretësirës polarizohet nën një rrymë të caktuar. Ky polarizim zvogëlohet ose zhduket ndërsa rryma elektrike zvogëlohet në sekondat makroskopike (disa sekonda deri në dhjetëra sekonda).

Rezistenca e brendshme e baterisë rritet me rritjen e rrymës së shkarkimit të baterisë, e cila është kryesisht për shkak se rryma e madhe e shkarkimit rrit trendin e polarizimit të baterisë, dhe sa më e madhe të jetë rryma e shkarkimit, aq më e dukshme është tendenca e polarizimit, siç tregohet. në figurën 2. Sipas ligjit të Ohm-it: V=E0-IRT, me rritjen e rezistencës së përgjithshme të brendshme RT, koha e nevojshme që tensioni i baterisë të arrijë tensionin e ndërprerjes së shkarkimit zvogëlohet përkatësisht, kështu që kapaciteti i lëshimit gjithashtu zvogëlohet. reduktuar.

Figura 2. Efekti i densitetit të rrymës në polarizimin

Bateria e joneve litium është në thelb një lloj baterie e përqendrimit të joneve të litiumit. Procesi i ngarkimit dhe shkarkimit të baterisë së joneve të litiumit është procesi i futjes dhe heqjes së joneve të litiumit në elektrodat pozitive dhe negative. Faktorët që ndikojnë në polarizimin e baterive litium-jon përfshijnë:

(1) Ndikimi i elektrolitit: përçueshmëria e ulët e elektrolitit është arsyeja kryesore për polarizimin e baterive të joneve të litiumit. Në gamën e përgjithshme të temperaturës, përçueshmëria e elektrolitit të përdorur për bateritë litium-jon është përgjithësisht vetëm 0.01-0.1S/cm, që është një përqind e tretësirës ujore. Prandaj, kur bateritë litium-jon shkarkohen me një rrymë të lartë, është tepër vonë për të plotësuar Li + nga elektroliti dhe do të ndodhë fenomeni i polarizimit. Përmirësimi i përçueshmërisë së elektrolitit është faktori kryesor për të përmirësuar kapacitetin e shkarkimit me rrymë të lartë të baterive litium-jon.

(2) Ndikimi i materialeve pozitive dhe negative: kanali më i gjatë i difuzionit të grimcave të mëdha të joneve të litiumit në sipërfaqe të materialit pozitiv dhe negativ, i cili nuk është i favorshëm për shkarkim me shpejtësi të madhe.

(3) Agjent përcjellës: përmbajtja e agjentit përçues është një faktor i rëndësishëm që ndikon në performancën e shkarkimit të raportit të lartë. Nëse përmbajtja e agjentit përcjellës në formulën e katodës është e pamjaftueshme, elektronet nuk mund të transferohen në kohën kur rryma e madhe shkarkohet dhe rezistenca e brendshme e polarizimit rritet me shpejtësi, kështu që tensioni i baterisë reduktohet shpejt në tensionin e ndërprerjes së shkarkimit. .

(4) Ndikimi i dizajnit të shtyllës: trashësia e shtyllës: në rastin e shkarkimit të madh të rrymës, shpejtësia e reagimit të substancave aktive është shumë e shpejtë, gjë që kërkon që joni i litiumit të futet shpejt dhe të shkëputet në material. Nëse pllaka e poleve është e trashë dhe rruga e difuzionit të joneve të litiumit rritet, drejtimi i trashësisë së polit do të prodhojë një gradient të madh përqendrimi të joneve të litiumit.

Dendësia e ngjeshjes: dendësia e ngjeshjes së fletës së shtyllës është më e madhe, poret bëhen më të vogla dhe rruga e lëvizjes së joneve të litiumit në drejtimin e trashësisë së fletës së poleve është më e gjatë. Përveç kësaj, nëse densiteti i ngjeshjes është shumë i madh, zona e kontaktit midis materialit dhe elektrolitit zvogëlohet, vendi i reagimit të elektrodës zvogëlohet dhe rezistenca e brendshme e baterisë gjithashtu do të rritet.

(5) Ndikimi i membranës SEI: formimi i membranës SEI rrit rezistencën e ndërfaqes së elektrodës / elektrolitit, duke rezultuar në histerezë ose polarizim të tensionit.

[Tensioni i funksionimit të baterisë]

Tensioni i funksionimit, i njohur gjithashtu si tension fundor, i referohet ndryshimit potencial midis elektrodave pozitive dhe negative të baterisë kur rryma rrjedh në qark në gjendjen e punës. Në gjendjen e punës të shkarkimit të baterisë, kur rryma kalon nëpër bateri, duhet të kapërcehet rezistenca e shkaktuar nga rezistenca e brendshme, e cila do të shkaktojë rënie të presionit omik dhe polarizimin e elektrodës, kështu që tensioni i punës është gjithmonë më i ulët se tensioni i qarkut të hapur. dhe gjatë karikimit, voltazhi i fundit është gjithmonë më i lartë se tensioni i qarkut të hapur. Kjo do të thotë, rezultati i polarizimit e bën tensionin fundor të shkarkimit të baterisë më të ulët se potenciali elektromotor i baterisë, i cili është më i lartë se potenciali elektromotor i baterisë në ngarkim.

Për shkak të ekzistencës së fenomenit të polarizimit, tensionit të menjëhershëm dhe tensionit aktual në procesin e ngarkimit dhe shkarkimit. Gjatë karikimit, voltazhi i menjëhershëm është pak më i lartë se voltazhi aktual, polarizimi zhduket dhe voltazhi bie kur tensioni i menjëhershëm dhe tensioni aktual zvogëlohen pas shkarkimit.

Për të përmbledhur përshkrimin e mësipërm, shprehja është:

E +, E--paraqesin potencialet e elektrodave pozitive dhe negative, përkatësisht, E + 0 dhe E--0 përfaqësojnë potencialin e elektrodës së ekuilibrit të elektrodave pozitive dhe negative, përkatësisht VR përfaqëson tensionin e polarizimit omik, dhe η + , η - -paraqesin mbipotencialin e elektrodave pozitive dhe negative, përkatësisht.

[Parimi bazë i testit të shkarkimit]

Pas një kuptimi bazë të tensionit të baterisë, filluam të analizojmë kurbën e shkarkimit të baterive litium-jon. Kurba e shkarkimit në thelb pasqyron gjendjen e elektrodës, e cila është mbivendosja e ndryshimeve të gjendjes së elektrodave pozitive dhe negative.

Kurba e tensionit të baterive litium-jon gjatë gjithë procesit të shkarkimit mund të ndahet në tre faza

1) Në fazën fillestare të baterisë, voltazhi bie me shpejtësi, dhe sa më i madh të jetë shkalla e shkarkimit, aq më shpejt bie tensioni;

2) Tensioni i baterisë hyn në një fazë ndryshimi të ngadaltë, i cili quhet zona e platformës së baterisë. Sa më i vogël të jetë shkalla e shkarkimit,

Sa më e gjatë të jetë kohëzgjatja e zonës së platformës, aq më i lartë është voltazhi i platformës, aq më i ngadalshëm është rënia e tensionit.

3) Kur fuqia e baterisë është pothuajse e mbaruar, voltazhi i ngarkesës së baterisë fillon të bjerë ndjeshëm derisa të arrihet tensioni i ndalimit të shkarkimit.

Gjatë testimit, ekzistojnë dy mënyra për të mbledhur të dhëna

(1) Mblidhni të dhënat e rrymës, tensionit dhe kohës sipas intervalit kohor të caktuar Δ t;

(2) Mblidhni të dhënat e rrymës, tensionit dhe kohës sipas ndryshimit të caktuar të ndryshimit të tensionit Δ V. Saktësia e pajisjeve të karikimit dhe shkarkimit përfshin kryesisht saktësinë e rrymës, saktësinë e tensionit dhe saktësinë e kohës. Tabela 2 tregon parametrat e pajisjeve të një makinerie të caktuar ngarkimi dhe shkarkimi, ku% FS përfaqëson përqindjen e gamës së plotë dhe 0.05% RD i referohet gabimit të matur brenda intervalit 0.05% të leximit. Pajisjet e karikimit dhe shkarkimit në përgjithësi përdorin burim rrymë konstante CNC në vend të rezistencës së ngarkesës për ngarkesë, kështu që tensioni i daljes së baterisë nuk ka të bëjë me rezistencën serike ose rezistencën parazitare në qark, por lidhet vetëm me tensionin E dhe rezistencën e brendshme. r dhe rryma e qarkut I të burimit ideal të tensionit ekuivalent me baterinë. Nëse rezistenca përdoret për ngarkesë, vendosni tensionin e burimit ideal të tensionit të baterisë ekuivalent të jetë E, rezistenca e brendshme është r dhe rezistenca e ngarkesës është R. Matni tensionin në të dy skajet e rezistencës së ngarkesës me tensionin metër, siç tregohet në figurën e mësipërme në figurën 6. Megjithatë, në praktikë, ka rezistencë ndaj plumbit dhe rezistencë ndaj kontaktit të fiksimit (rezistencë uniforme parazitare) në qark. Diagrami i qarkut ekuivalent i paraqitur në Fig. 3 është paraqitur në figurën e mëposhtme të Fig. 3. Në praktikë futet në mënyrë të pashmangshme rezistenca parazitare, kështu që rezistenca totale e ngarkesës bëhet e madhe, por tensioni i matur është tensioni në të dy skajet e rezistencës së ngarkesës R, kështu që futet gabimi.

 Fig. 3 Diagrami kryesor i bllokut dhe diagrami aktual ekuivalent i qarkut të metodës së shkarkimit të rezistencës

Kur burimi i rrymës konstante me rrymën I1 përdoret si ngarkesë, diagrami skematik dhe diagrami aktual i qarkut ekuivalent tregohen në figurën 7. E, I1 janë vlera konstante dhe r është konstante për një kohë të caktuar.

Nga formula e mësipërme, mund të shohim se dy tensionet e A dhe B janë konstante, domethënë, voltazhi i daljes së baterisë nuk ka lidhje me madhësinë e rezistencës së serisë në lak, dhe natyrisht, nuk ka asnjë lidhje. me rezistencën parazitare. Përveç kësaj, mënyra e matjes me katër terminale mund të arrijë një matje më të saktë të tensionit në dalje të baterisë.

Figura 4 Diagrami i bllokut ekuivalent dhe diagrami aktual ekuivalent i qarkut të ngarkesës së burimit të rrymës konstante

Burimi i njëkohshëm është një pajisje furnizimi me energji elektrike që mund të sigurojë rrymë konstante në ngarkesë. Mund ta mbajë ende konstante rrymën e daljes kur furnizimi i jashtëm i energjisë luhatet dhe karakteristikat e rezistencës ndryshojnë.

[Modaliteti i testit të shkarkimit]

Pajisjet e testimit të ngarkimit dhe shkarkimit në përgjithësi përdorin pajisjen gjysmëpërçuese si element rrjedhës. Duke rregulluar sinjalin e kontrollit të pajisjes gjysmëpërçuese, ajo mund të simulojë një ngarkesë me karakteristika të ndryshme si rrymë konstante, presion konstant dhe rezistencë konstante etj. Modaliteti i testit të shkarkimit të baterisë litium-jon përfshin kryesisht shkarkimin e rrymës konstante, shkarkimin e rezistencës konstante, shkarkimin konstant të fuqisë, etj. Në çdo modalitet shkarkimi, shkarkimi i vazhdueshëm dhe shkarkimi interval mund të ndahen gjithashtu, në të cilat sipas gjatësisë kohore, shkarkimi interval mund të ndahet në shkarkim me ndërprerje dhe shkarkim pulsi. Gjatë testit të shkarkimit, bateria shkarkohet sipas modalitetit të caktuar dhe ndalon shkarkimin pasi të arrijë kushtet e vendosura. Kushtet e ndërprerjes së shkarkimit përfshijnë vendosjen e ndërprerjes së tensionit, vendosjen e ndërprerjes së kohës, vendosjen e ndërprerjes së kapacitetit, vendosjen e ndërprerjes së gradientit negativ të tensionit, etj. Ndryshimi i tensionit të shkarkimit të baterisë lidhet me sistemin e shkarkimit, që është, ndryshimi i lakores së shkarkimit ndikohet edhe nga sistemi i shkarkimit, duke përfshirë: rrymën e shkarkimit, temperaturën e shkarkimit, tensionin e përfundimit të shkarkimit; shkarkim me ndërprerje ose të vazhdueshme. Sa më e madhe të jetë rryma e shkarkimit, aq më shpejt bie tensioni i funksionimit; me temperaturën e shkarkimit, kurba e shkarkimit ndryshon butësisht.

(1) Shkarkimi i rrymës konstante

Kur shkarkimi i rrymës konstante, vendoset vlera aktuale dhe më pas arrihet vlera aktuale duke rregulluar burimin e rrymës konstante CNC, në mënyrë që të realizohet shkarkimi i rrymës konstante të baterisë. Në të njëjtën kohë, ndryshimi i tensionit të fundit të baterisë mblidhet për të zbuluar karakteristikat e shkarkimit të baterisë. Shkarkimi i vazhdueshëm i rrymës është shkarkimi i së njëjtës rrymë shkarkimi, por tensioni i baterisë vazhdon të bjerë, kështu që fuqia vazhdon të bjerë. Figura 5 është kurba e tensionit dhe rrymës së shkarkimit të rrymës konstante të baterive litium-jon. Për shkak të shkarkimit të vazhdueshëm të rrymës, boshti i kohës konvertohet lehtësisht në boshtin e kapacitetit (produkti i rrymës dhe kohës). Figura 5 tregon lakoren e tensionit-kapacitetit në shkarkimin e rrymës konstante. Shkarkimi i rrymës konstante është metoda më e përdorur e shkarkimit në testet e baterive litium-jon.

Figura 5 Ngarkimi i tensionit konstant të rrymës konstante dhe kurbat e shkarkimit të rrymës konstante me ritme të ndryshme shumëzuese

(2) Shkarkimi i vazhdueshëm i fuqisë

Kur fuqia konstante shkarkohet, së pari vendoset vlera e fuqisë konstante P dhe mblidhet tensioni i daljes U i baterisë. Në procesin e shkarkimit, P kërkohet të jetë konstante, por U është vazhdimisht në ndryshim, kështu që është e nevojshme të rregulloni vazhdimisht rrymën I të burimit të rrymës konstante CNC sipas formulës I = P / U për të arritur qëllimin e shkarkimit konstant të fuqisë . Mbajeni fuqinë e shkarkimit të pandryshuar, sepse voltazhi i baterisë vazhdon të bjerë gjatë procesit të shkarkimit, kështu që rryma në shkarkimin e vazhdueshëm të energjisë vazhdon të rritet. Për shkak të shkarkimit të vazhdueshëm të fuqisë, boshti i koordinatave të kohës konvertohet lehtësisht në boshtin e koordinatave të energjisë (produkti i fuqisë dhe kohës).

Figura 6 Kurbat e ngarkimit dhe shkarkimit të fuqisë konstante me ritme të ndryshme dyfishimi

Krahasimi midis shkarkimit të rrymës konstante dhe shkarkimit të fuqisë konstante

Figura 7: (a) diagrami i kapacitetit të ngarkimit dhe shkarkimit në raporte të ndryshme; (b) kurba e ngarkesës dhe shkarkimit

 Figura 7 tregon rezultatet e testeve të raporteve të ndryshme të ngarkimit dhe shkarkimit në dy mënyrat e bateri litium fosfat hekuri. Sipas lakores së kapacitetit në FIG. 7 (a), me rritjen e rrymës së ngarkimit dhe shkarkimit në modalitetin e rrymës konstante, kapaciteti aktual i ngarkimit dhe shkarkimit të baterisë gradualisht zvogëlohet, por diapazoni i ndryshimit është relativisht i vogël. Kapaciteti aktual i ngarkimit dhe shkarkimit të baterisë gradualisht zvogëlohet me rritjen e fuqisë, dhe sa më i madh të jetë shumëzuesi, aq më shpejt zvogëlohet kapaciteti. Kapaciteti i shkarkimit me shpejtësi 1 orë është më i ulët se modaliteti i rrjedhjes konstante. Në të njëjtën kohë, kur shkalla e ngarkimit-shkarkimit është më e ulët se shkalla 5 orë, kapaciteti i baterisë është më i lartë në kushtet e fuqisë konstante, ndërsa kapaciteti i baterisë është më i lartë se shkalla 5 orë është më e lartë në gjendjen e rrymës konstante.

Nga figura 7 (b) tregon kurba kapacitet-tension, në kushtet e raportit të ulët, bateria litium fosfat hekuri me dy mënyra, kurba e kapacitetit-tensionit dhe ndryshimi i platformës së tensionit të ngarkimit dhe shkarkimit nuk është i madh, por në kushtet e raportit të lartë, Konstante aktuale-konstante mode tensionit të kohës së tensionit konstant në mënyrë të konsiderueshme më të gjatë, dhe akuzuar platformë tensionit është rritur ndjeshëm, platforma e tensionit shkarkimit është reduktuar ndjeshëm.

(3) Shkarkim i qëndrueshëm i qëndrueshëm

Kur shkarkimi i rezistencës konstante, së pari vendoset një vlerë konstante e rezistencës R për të mbledhur tensionin e daljes së baterisë U. Gjatë procesit të shkarkimit, R kërkohet të jetë konstante, por U ndryshon vazhdimisht, kështu që vlera aktuale I e rrymës konstante CNC burimi duhet të rregullohet vazhdimisht sipas formulës I=U/R për të arritur qëllimin e shkarkimit të rezistencës konstante. Tensioni i baterisë është gjithmonë në rënie në procesin e shkarkimit, dhe rezistenca është e njëjtë, kështu që rryma e shkarkimit I është gjithashtu një proces në rënie.

(4) Shkarkimi i vazhdueshëm, shkarkimi me ndërprerje dhe shkarkimi i pulsit

Bateria shkarkohet në rrymë konstante, fuqi konstante dhe rezistencë konstante, ndërsa përdor funksionin e kohës për të realizuar kontrollin e shkarkimit të vazhdueshëm, shkarkimit me ndërprerje dhe shkarkimit të pulsit. Figura 11 tregon kthesat e rrymës dhe kthesat e tensionit të një testi tipik ngarkimi/shkarkimi të pulsit.

Figura 8 Kurbat e rrymës dhe kthesat e tensionit për testet tipike të ngarkimit dhe shkarkimit të pulsit

[Informacioni i përfshirë në lakoren e shkarkimit]

Kurba e shkarkimit i referohet kurbës së tensionit, rrymës, kapacitetit dhe ndryshimeve të tjera të baterisë me kalimin e kohës gjatë procesit të shkarkimit. Informacioni që përmban kurba e ngarkimit dhe shkarkimit është shumë i pasur, duke përfshirë kapacitetin, energjinë, tensionin e punës dhe platformën e tensionit, marrëdhënien midis potencialit të elektrodës dhe gjendjes së ngarkesës, etj. Të dhënat kryesore të regjistruara gjatë testit të shkarkimit janë koha evolucioni i rrymës dhe tensionit. Shumë parametra mund të merren nga këto të dhëna bazë. Në vijim detajon parametrat që mund të merren nga kurba e shkarkimit.

(1) Tensioni

Në testin e shkarkimit të baterisë së litium-jonit, parametrat e tensionit përfshijnë kryesisht platformën e tensionit, tensionin mesatar, tensionin mesatar, tensionin e ndërprerjes, etj. Tensioni i platformës është vlera përkatëse e tensionit kur ndryshimi i tensionit është minimal dhe ndryshimi i kapacitetit është i madh , e cila mund të merret nga vlera maksimale e dQ / dV. Tensioni mesatar është vlera përkatëse e tensionit e gjysmës së kapacitetit të baterisë. Për materialet më të dukshme në platformë, të tilla si fosfati i hekurit të litiumit dhe titanati i litiumit, voltazhi mesatar është voltazhi i platformës. Tensioni mesatar është zona efektive e kurbës tension-kapacitet (dmth., energjia e shkarkimit të baterisë) e ndarë me formulën e llogaritjes së kapacitetit është u = U (t) * I (t) dt / I (t) dt. Tensioni i ndërprerjes i referohet tensionit minimal të lejuar kur bateria shkarkohet. Nëse voltazhi është më i ulët se tensioni i ndërprerjes së shkarkimit, voltazhi në të dy skajet e baterisë do të bjerë me shpejtësi, duke formuar shkarkim të tepruar. Shkarkimi i tepërt mund të shkaktojë dëmtim të substancës aktive të elektrodës, të humbasë aftësinë e reagimit dhe të shkurtojë jetëgjatësinë e baterisë. Siç përshkruhet në pjesën e parë, voltazhi i baterisë lidhet me gjendjen e ngarkimit të materialit të katodës dhe potencialin e elektrodës.

(2) Kapaciteti dhe kapaciteti specifik

Kapaciteti i baterisë i referohet sasisë së energjisë elektrike të lëshuar nga bateria nën një sistem të caktuar shkarkimi (nën një rrymë të caktuar shkarkimi I, temperaturën e shkarkimit T, tensionin e ndërprerjes së shkarkimit V), që tregon aftësinë e baterisë për të ruajtur energjinë në Ah ose C Kapaciteti ndikohet nga shumë elementë, si rryma e shkarkimit, temperatura e shkarkimit, etj. Madhësia e kapacitetit përcaktohet nga sasia e substancave aktive në elektrodat pozitive dhe negative.

Kapaciteti teorik: kapaciteti i dhënë nga substanca aktive në reaksion.

Kapaciteti aktual: kapaciteti aktual i lëshuar nën një sistem të caktuar shkarkimi.

Kapaciteti i vlerësuar: i referohet sasisë minimale të fuqisë së garantuar nga bateria në kushtet e projektuara të shkarkimit.

Në testin e shkarkimit, kapaciteti llogaritet duke integruar rrymën me kalimin e kohës, p.sh. C = I (t) dt, rrymë konstante në t shkarkime konstante, C = I (t) dt = I t; rezistenca konstante R shkarkimi, C = I (t) dt = (1 / R) * U (t) dt (1 / R) * jashtë (u është voltazhi mesatar i shkarkimit, t është koha e shkarkimit).

Kapaciteti specifik: Për të krahasuar bateritë e ndryshme, është prezantuar koncepti i kapacitetit specifik. Kapaciteti specifik i referohet kapacitetit të dhënë nga substanca aktive e masës së njësisë ose elektrodës së njësisë së vëllimit, e cila quhet kapaciteti specifik i masës ose kapaciteti specifik i vëllimit. Metoda e zakonshme e llogaritjes është: kapaciteti specifik = kapaciteti i shkarkimit të parë të baterisë / (masa e substancës aktive * shkalla e përdorimit të substancës aktive)

Faktorët që ndikojnë në kapacitetin e baterisë:

a. Rryma e shkarkimit të baterisë: sa më e madhe të jetë rryma, kapaciteti i daljes zvogëlohet;

b. Temperatura e shkarkimit të baterisë: kur temperatura ulet, kapaciteti i daljes zvogëlohet;

c. Tensioni i ndërprerjes së shkarkimit të baterisë: koha e shkarkimit e vendosur nga materiali i elektrodës dhe kufiri i vetë reagimit të elektrodës është përgjithësisht 3.0 V ose 2.75 V.

d. Kohët e karikimit dhe shkarkimit të baterisë: pas ngarkimit dhe shkarkimit të shumëfishtë të baterisë, për shkak të dështimit të materialit të elektrodës, bateria do të jetë në gjendje të zvogëlojë kapacitetin e shkarkimit të baterisë.

e. Kushtet e karikimit të baterisë: shkalla e karikimit, temperatura, tensioni i ndërprerjes ndikojnë në kapacitetin e baterisë, duke përcaktuar kështu kapacitetin e shkarkimit.

 Metoda e përcaktimit të kapacitetit të baterisë:

Industri të ndryshme kanë standarde të ndryshme testimi sipas kushteve të punës. Për bateritë litium-jon për produktet 3C, sipas standardit kombëtar GB / T18287-2000 Specifikimet e përgjithshme për bateritë litium-jon për telefonin celular, metoda e testimit të kapacitetit të vlerësuar të baterisë është si më poshtë: a) karikimi: karikimi 0.2C5A; b) shkarkimi: 0.2C5A shkarkimi; c) pesë cikle, nga të cilat një është i kualifikuar.

Për industrinë e automjeteve elektrike, sipas standardit kombëtar GB / T 31486-2015 Kërkesat e performancës elektrike dhe metodat e provës për baterinë e energjisë elektrike për automjetet elektrike, kapaciteti i vlerësuar i baterisë i referohet kapacitetit (Ah) të lëshuar nga bateria në temperaturën e dhomës me 1I1 (A) shkarkimin aktual për të arritur tensionin e përfundimit, në të cilin I1 është rrymë shkarkimi 1 orë, vlera e së cilës është e barabartë me C1 (A). Metoda e testimit është:

A) Në temperaturën e dhomës, ndaloni tensionin konstant kur ngarkoni me ngarkim të rrymës konstante në tensionin e përfundimit të karikimit të specifikuar nga ndërmarrja dhe ndaloni karikimin kur rryma e përfundimit të karikimit bie në 0.05I1 (A) dhe mbajeni karikimin për 1 orë pas karikimi.

Bb) Në temperaturën e dhomës, bateria shkarkohet me rrymë 1I1 (A) derisa shkarkimi të arrijë tensionin e përfundimit të shkarkimit të përcaktuar në kushtet teknike të ndërmarrjes;

C) kapaciteti i matur i shkarkimit (i matur me Ah), llogaritet energjia specifike e shkarkimit (matur me Wh/kg);

3 d) Përsëritni hapat a) -) c) 5 herë. Kur diferenca ekstreme e 3 testeve të njëpasnjëshme është më pak se 3% e kapacitetit të vlerësuar, testi mund të përfundojë paraprakisht dhe rezultatet e 3 testeve të fundit mund të mesatarizohen.

(3) Shteti i ngarkuar, KOS

SOC (State of Charge) është një gjendje karikimi, që përfaqëson raportin e kapacitetit të mbetur të baterisë me gjendjen e saj të plotë të karikimit pas një periudhe kohore ose një kohe të gjatë nën një shkallë të caktuar shkarkimi. Metoda e metodës "tensioni në qark të hapur + integrimi në orë" përdor metodën e tensionit të qarkut të hapur për të vlerësuar kapacitetin fillestar të ngarkimit të gjendjes së baterisë, dhe më pas përdor metodën e integrimit në orë për të marrë fuqinë e konsumuar nga një - Metoda e integrimit në kohë. Fuqia e konsumuar është produkt i rrymës së shkarkimit dhe kohës së shkarkimit, dhe fuqia e mbetur është e barabartë me diferencën midis fuqisë fillestare dhe fuqisë së konsumuar. Vlerësimi matematikor i SOC ndërmjet tensionit të qarkut të hapur dhe integralit njëorë është:

Ku CN është kapaciteti i vlerësuar; η është efikasiteti i ngarkimit-shkarkimit; T është temperatura e përdorimit të baterisë; I është rryma e baterisë; t është koha e shkarkimit të baterisë.

DOD (Thellësia e shkarkimit) është thellësia e shkarkimit, një masë e shkallës së shkarkimit, e cila është përqindja e kapacitetit të shkarkimit ndaj kapacitetit total të shkarkimit. Thellësia e shkarkimit ka një lidhje të madhe me jetëgjatësinë e baterisë: sa më e thellë të jetë thellësia e shkarkimit, aq më e shkurtër është jeta. Marrëdhënia është llogaritur për SOC = 100% -DOD

4) Energjia dhe energjia specifike

Energjia elektrike që bateria mund të prodhojë duke kryer punë të jashtme në kushte të caktuara quhet energjia e baterisë dhe njësia përgjithësisht shprehet në wh. Në lakoren e shkarkimit, energjia llogaritet si më poshtë: W = U (t) * I (t) dt. Në shkarkimin e rrymës konstante, W = I * U (t) dt = Ajo * u (u është voltazhi mesatar i shkarkimit, t është koha e shkarkimit)

a. Energjia teorike

Procesi i shkarkimit të baterisë është në gjendje ekuilibri, dhe tensioni i shkarkimit ruan vlerën e forcës elektromotore (E), dhe shkalla e përdorimit të substancës aktive është 100%. Në këtë kusht, energjia dalëse e baterisë është energjia teorike, domethënë puna maksimale e bërë nga bateria e kthyeshme nën temperaturë dhe presion konstant.

b. Energjia aktuale

Energjia aktuale e daljes së shkarkimit të baterisë quhet energjia aktuale, rregulloret e industrisë së automjeteve elektrike ("GB / T 31486-2015 Kërkesat e performancës elektrike të baterisë së energjisë dhe metodat e provës për automjetet elektrike"), bateria në temperaturën e dhomës me 1I1 (A ) shkarkimi aktual, për të arritur energjinë (Wh) të lëshuar nga voltazhi i përfundimit, i quajtur energjia nominale.

c. energji specifike

Energjia e dhënë nga një bateri për njësi masë dhe për njësi vëllimi quhet energji specifike në masë ose energji specifike vëllimore, e quajtur gjithashtu dendësi energjie. Në njësi wh / kg ose wh / L.

[Forma bazë e kurbës së shkarkimit]

Forma më themelore e kurbës së shkarkimit është kurba e tensionit-kohë dhe e kohës aktuale. Nëpërmjet transformimit të llogaritjes së boshtit të kohës, kurba e shkarkimit të përbashkët ka edhe lakoren tension-kapacitet (kapaciteti specifik), kurbën tension-energji (energji specifike), lakoren tension-SOC etj.

(1) Kurba e tensionit-kohë dhe e kohës aktuale

Figura 9 Lakoret tension-kohë dhe rrymë-kohë

(2) Lakorja e tensionit-kapacitetit

Figura 10 Lakorja e tensionit-kapacitetit

(3) Kurba tension-energji

Figura Figura 11. Kurba tension-energji

[dokumentacioni referues]

• Wang Chao, etj. Krahasimi i karakteristikave të ngarkesës dhe shkarkimit të rrymës konstante dhe fuqisë konstante në pajisjet e ruajtjes së energjisë elektrokimike [J]. Shkenca dhe teknologjia e ruajtjes së energjisë.2017(06)：1313-1320.
• Eom KS, Joshi T, Bordes A, etj. Dizajni i një baterie me qeliza të plota Li-jon duke përdorur një anodë të përbërë nano silikoni dhe nano grafeni me shumë shtresa[J]
• Guo Jipeng, etj. Krahasimi i karakteristikave të provës së rrymës konstante dhe fuqisë konstante të baterive me fosfat litium hekuri [J]. bateri magazinimi. 2017(03)：109-115
• Marinaro M，Yoon D，Gabrielli G，et al.Prototipi i performancës së lartë 1.2 Ah Si-aliazh/grafit|LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 Li-ion[J].Journal of Power Sources.2017，357(Suplement C):188-197.