Teoria litiumakun lataamisesta ja purkamisesta

Teoria litiumakun lataamisesta ja purkamisesta

1.1 Lataustila (SOC)

Varaustila voidaan määritellä akussa käytettävissä olevan sähköenergian tilaksi, joka ilmaistaan ​​yleensä prosentteina. Koska käytettävissä oleva sähköenergia vaihtelee lataus- ja purkausvirran, lämpötilan ja ikääntymisilmiön mukaan, varaustilan määritelmä jaetaan myös kahteen tyyppiin: Absolute State Of Charge (ASOC) ja Suhteellinen lataustila (RSOC). Suhteellisen lataustilan vaihteluväli on yleensä 0% -100%, kun taas akku on 100% täyteen ladattuna ja 0% täysin tyhjänä. Absoluuttinen lataustila on viitearvo, joka lasketaan akun valmistuksen yhteydessä suunnitellun kiinteän kapasiteettiarvon perusteella. Upouuden täyteen ladatun akun absoluuttinen lataustila on 100 %; Vaikka ikääntyvä akku olisi täysin ladattu, se ei voi saavuttaa 100 % eri lataus- ja purkausolosuhteissa.

Seuraava kuva esittää jännitteen ja akun kapasiteetin välistä suhdetta eri purkausnopeuksilla. Mitä suurempi purkausnopeus, sitä pienempi akun kapasiteetti. Kun lämpötila on alhainen, myös akun kapasiteetti laskee.

                          Kuva 1. Jännitteen ja kapasiteetin suhde eri purkausnopeuksilla ja lämpötiloilla

1.2 Suurin latausjännite

Korkein latausjännite liittyy akun kemialliseen koostumukseen ja ominaisuuksiin. Litiumakkujen latausjännite on yleensä 4,2 V ja 4,35 V, ja jännitearvot voivat vaihdella katodi- ja anodimateriaaleista riippuen.

1.3 Täyteen ladattu

Kun akun jännitteen ja korkeimman latausjännitteen ero on alle 100 mV ja latausvirta laskee C/10:een, akku voidaan katsoa täyteen ladattuna. Akkujen ominaisuudet vaihtelevat, ja myös täydellisen latauksen ehdot vaihtelevat.

Seuraavassa kuvassa on tyypillinen litiumakun latauksen ominaiskäyrä. Kun akun jännite on yhtä suuri kuin suurin latausjännite ja latausvirta laskee arvoon C/10, akun katsotaan olevan täyteen ladattu.

                             Kuva 2. Litiumakun latauksen ominaiskäyrä

1.4 Pienin purkausjännite

Pienin purkausjännite voidaan määritellä katkaisupurkausjännitteeksi, yleensä jännitteeksi 0 % varaustilassa. Tämä jännitearvo ei ole kiinteä arvo, vaan se muuttuu kuormituksen, lämpötilan, ikääntymisasteen tai muiden tekijöiden mukaan.

1.5 Täysi tyhjennys

Kun akun jännite on pienempi tai yhtä suuri kuin pienin purkausjännite, sitä voidaan kutsua täydelliseksi purkautumiseksi.

1.6 Varauksen purkunopeus (C-Rate)

Latauspurkausnopeus on esitys latauspurkausvirtasta suhteessa akun kapasiteettiin. Jos esimerkiksi 1C:tä käytetään purkamaan tunnin ajan, ihannetapauksessa akku purkautuu täysin. Erilaiset lataus- ja purkunopeudet johtavat erilaisiin käytettävissä oleviin kapasiteeteihin. Yleensä mitä suurempi latausnopeus on, sitä pienempi on käytettävissä oleva kapasiteetti.

1.7 Käyttöikä

Jaksojen lukumäärä on kuinka monta kertaa akku on täysin latautunut ja purettu, mikä voidaan arvioida todellisen purkauskapasiteetin ja suunnittelukapasiteetin perusteella. Aina kun kertynyt purkauskapasiteetti on yhtä suuri kuin mitoituskapasiteetti, jaksojen lukumäärä on yksi. Yleensä 500 lataus- ja purkujakson jälkeen täyteen ladatun akun kapasiteetti laskee 10–20 %.

                          Kuva 3. Jaksoaikojen ja akun kapasiteetin välinen suhde

1.8 Itsepurkaus

Kaikkien akkujen itsepurkautuminen lisääntyy lämpötilan noustessa. Itsepurkautuminen ei ole periaatteessa valmistusvirhe, vaan itse akun ominaisuus. Epäasianmukainen käsittely valmistusprosessin aikana voi kuitenkin johtaa myös itsepurkauksen lisääntymiseen. Yleensä jokaista 10 °C:n akun lämpötilan nousua kohden itsepurkautumisnopeus kaksinkertaistuu. Litiumioniakkujen kuukausittainen itsepurkautumiskapasiteetti on noin 1-2 %, kun taas eri nikkelipohjaisten akkujen kuukausittainen itsepurkautumiskyky on 10-15 %.

                             Kuva 4. Litiumakkujen itsepurkautumisnopeuden suorituskyky eri lämpötiloissa