Kuinka lukea akun purkauskäyrä

Kuinka lukea akun purkauskäyrä

Akut ovat monimutkaisia ​​sähkökemiallisia ja termodynaamisia järjestelmiä, ja useat tekijät vaikuttavat niiden suorituskykyyn. Tietenkin akun kemia on tärkein tekijä. Kuitenkin, kun ymmärtää, minkä tyyppinen akku sopii parhaiten tiettyyn sovellukseen, on myös otettava huomioon tekijät, kuten latauksen purkautumisnopeus, käyttölämpötila, säilytysolosuhteet ja fyysisen rakenteen yksityiskohdat. Ensinnäkin on määriteltävä useita termejä:

★ Avoimen piirin jännite (Voc) on akun napojen välinen jännite, kun akussa ei ole kuormitusta.

★ Liitinjännite (Vt) on akun napojen välinen jännite, kun akkua kuormitetaan; Yleensä alhaisempi kuin Voc.

Katkaisujännite (Vco) on jännite, jolla akku purkautuu täysin määritetyllä tavalla. Vaikka akussa on yleensä jäljellä virtaa, käyttö Vco:n alapuolella voi vahingoittaa akkua.

★ Kapasiteetti mittaa kokonaisampeerituntia (AH), jonka akku voi tuottaa täyteen ladattuna, kunnes Vt saavuttaa Vco:n.

Latauspurkausnopeus (C-Rate) on nopeus, jolla akku latautuu tai puretaan suhteessa sen nimelliskapasiteettiin. Esimerkiksi nopeus 1C lataa tai purkaa akun täyteen 1 tunnissa. Kun purkausnopeus on 0,5 C, akku purkautuu täysin 2 tunnin kuluessa. Korkeamman C-nopeuden käyttö yleensä vähentää käytettävissä olevaa akun kapasiteettia ja saattaa vahingoittaa akkua.

★ Akun lataustila (SoC) ilmaisee jäljellä olevan akun kapasiteetin prosentteina enimmäiskapasiteetista. Kun SoC saavuttaa nollan ja Vt saavuttaa Vco:n, akussa voi vielä olla jäljellä akkuvirtaa, mutta akkua ei voi purkaa enempää vahingoittamatta akkua ja vaikuttamatta tulevaan kapasiteettiin.

★ Purkamissyvyys (DoD) on SoC:n täydennys, joka mittaa purkautuneen akun kapasiteetin prosenttiosuuden; DoD = 100 - SoC.

① Jakson käyttöikä on käytettävissä olevien jaksojen lukumäärä ennen kuin akku saavuttaa käyttöikänsä lopussa.

Akun käyttöiän loppu (EoL) viittaa akun kyvyttömyyteen toimia ennalta määritettyjen vähimmäisvaatimusten mukaisesti. EoL voidaan kvantifioida useilla tavoilla:

① Kapasiteetin heikkeneminen perustuu akun kapasiteetin prosenttiosuuteen verrattuna nimelliskapasiteettiin tietyissä olosuhteissa.

② Tehonvaimennus perustuu akun enimmäistehoon tietyllä prosentilla verrattuna nimellistehoon tietyissä olosuhteissa.

③ Energian läpijuoksu ilmaisee energian kokonaismäärän, jonka akun odotetaan käsittelevän käyttöikänsä aikana, esimerkiksi 30 MWh, tiettyjen käyttöolosuhteiden perusteella.

★ Akun terveystila (SoH) mittaa jäljellä olevan käyttöiän prosenttiosuutta ennen EoL:n saavuttamista.

Polarisaatiokäyrä

Akun purkauskäyrä muodostetaan purkausprosessin aikana tapahtuvan akun polarisaatiovaikutuksen perusteella. Energian määrä, jonka akku voi tuottaa erilaisissa käyttöolosuhteissa, kuten C-nopeudessa ja käyttölämpötilassa, liittyy läheisesti purkauskäyrän alle. Purkamisprosessin aikana akun Vt pienenee. Vt:n lasku liittyy useisiin päätekijöihin:

✔ IR-pudotus - Akun sisäisen resistanssin läpi kulkevan virran aiheuttama akun jännitteen lasku. Tämä kerroin kasvaa lineaarisesti suhteellisen suurella purkausnopeudella vakiolämpötilassa.

✔ Aktivointipolarisaatio - viittaa erilaisiin sähkökemiallisten reaktioiden kinetiikkaan liittyviin hidastustekijöihin, kuten työfunktioon, joka ionien on voitettava elektrodien ja elektrolyyttien välisessä liitoksessa.

✔ Pitoisuuspolarisaatio - Tämä tekijä ottaa huomioon ionien vastuksen, kun massaa siirretään (diffuusio) elektrodista toiseen. Tämä tekijä hallitsee, kun litiumioniakut ovat täysin tyhjät, ja käyrän kaltevuus tulee erittäin jyrkäksi.

Akun polarisaatiokäyrä (purkauskäyrä) näyttää IR:n vähenemisen, aktivointipolarisaation ja pitoisuuspolarisaation kumulatiiviset vaikutukset Vt:hen (akun potentiaaliin). (Kuva: BioLogic)

Purkauskäyrän huomioitavaa

Akut on suunniteltu monenlaisiin sovelluksiin, ja ne tarjoavat erilaisia ​​suorituskykyominaisuuksia. Esimerkiksi litiumioniperuskemiallisia järjestelmiä on vähintään kuusi, joista jokaisella on oma ainutlaatuinen ominaisuussarja. Purkauskäyrä piirretään yleensä Vt:llä Y-akselille, kun taas SoC (tai DoD) piirretään X-akselille. Akun suorituskyvyn ja erilaisten parametrien, kuten C-nopeuden ja käyttölämpötilan, välisen korrelaation vuoksi jokaisella akun kemikaalijärjestelmällä on sarja purkauskäyriä, jotka perustuvat tiettyihin toimintaparametriyhdistelmiin. Esimerkiksi seuraavassa kuvassa verrataan kahden yleisen litiumionikemiallisen järjestelmän ja lyijyakkujen purkautumiskykyä huoneenlämpötilassa ja 0,2 C:n purkausnopeudessa. Purkauskäyrän muodolla on suuri merkitys suunnittelijoille.

Tasainen purkauskäyrä voi yksinkertaistaa tiettyjä sovellusmalleja, koska akun jännite pysyy suhteellisen vakaana koko purkausjakson ajan. Toisaalta jyrkkyyskäyrä voi yksinkertaistaa jäännösvarauksen arviointia, koska akun jännite liittyy läheisesti akun jäännösvaraukseen. Litiumioniakuissa, joissa on litteät purkauskäyrät, jäännösvarauksen arvioiminen vaatii kuitenkin monimutkaisempia menetelmiä, kuten Coulomb-laskennan, joka mittaa akun purkausvirran ja integroi virran ajan kuluessa jäännösvarauksen arvioimiseksi.

Lisäksi akkujen, joiden purkauskäyrät ovat alaspäin, teho laskee koko purkausjakson ajan. "Liikakokoinen" akku voidaan tarvita tukemaan suuritehoisia sovelluksia purkausjakson lopussa. Yleensä on tarpeen käyttää tehostettua jännitesäädintä herkkien laitteiden ja järjestelmien syöttämiseen, kun käytetään akkuja, joilla on jyrkät purkauskäyrät.

Seuraavassa on litiumioniakun purkauskäyrä, joka osoittaa, että jos akku tyhjenee erittäin nopeasti (tai päinvastoin, alhaisella nopeudella), tehollinen kapasiteetti laskee (tai kasvaa). Tätä kutsutaan kapasiteetin siirroksi, ja tämä vaikutus on yleinen useimmissa akkukemiallisissa järjestelmissä.

Litiumioniakkujen jännite ja kapasiteetti laskevat C-nopeuden kasvaessa. (Kuva: Richtek)

Käyttölämpötila on tärkeä parametri, joka vaikuttaa akun suorituskykyyn. Hyvin alhaisissa lämpötiloissa vesipohjaisia ​​elektrolyyttejä sisältävät akut voivat jäätyä, mikä rajoittaa niiden käyttölämpötila-alueen alarajaa. Litiumioniakut voivat kokea negatiivisen elektrodin litiumiakertymän alhaisissa lämpötiloissa, mikä vähentää kapasiteettia pysyvästi. Korkeissa lämpötiloissa kemikaalit voivat hajota ja akku saattaa lakata toimimasta. Jäätymisen ja kemiallisten vaurioiden välillä akun suorituskyky vaihtelee tyypillisesti merkittävästi lämpötilan muutosten mukaan.

Seuraava kuva näyttää eri lämpötilojen vaikutuksen litiumioniakkujen suorituskykyyn. Hyvin matalissa lämpötiloissa suorituskyky voi heikentyä merkittävästi. Akun purkauskäyrä on kuitenkin vain yksi osa akun suorituskykyä. Esimerkiksi mitä suurempi poikkeama litiumioniakkujen käyttölämpötilan ja huoneenlämpötilan välillä (joko korkeassa tai alhaisessa lämpötilassa), sitä lyhyempi on syklin käyttöikä. Tietyissä sovelluksissa kaikkien eri akkukemiallisten järjestelmien soveltuvuuteen vaikuttavien tekijöiden täydellinen analyysi ei kuulu tämän artikkelin akun purkauskäyrän piiriin. Esimerkki muista menetelmistä eri akkujen suorituskyvyn analysoimiseksi on Lagone-kaavio.

Akun jännite ja kapasiteetti riippuvat lämpötilasta. (Kuva: Richtek)

Lagone tontteja

Laguunidiagrammi vertaa eri energian varastointitekniikoiden ominaistehoa ja ominaisenergiaa. Esimerkiksi sähköajoneuvojen akkuja tarkasteltaessa ominaisenergia liittyy kantamaan, kun taas ominaisteho vastaa kiihdytystehoa.

Ragone-kaavio, jossa verrataan eri tekniikoiden ominaisenergian ja ominaistehon välistä suhdetta. (Kuva: Researchgate)

Laguunidiagrammi perustuu massaenergiatiheyteen ja tehotiheyteen, eikä se sisällä tilavuusparametreihin liittyviä tietoja. Vaikka metallurgi David V. Lagone kehitti nämä kaaviot vertaillakseen eri akkukemian suorituskykyä, Lagone-kaavio sopii myös kaikenlaisten energian varastointi- ja energialaitteiden, kuten moottoreiden, kaasuturbiinien ja polttokennojen, vertailuun.

Y-akselin ominaisenergian ja X-akselin ominaistehon välinen suhde on tuntimäärä, jonka laite toimii nimellisteholla. Laitteen koko ei vaikuta tähän suhteeseen, sillä suuremmilla laitteilla on suhteellisesti suurempi teho ja energiakapasiteetti. Lagoon-kaaviossa vakiokäyttöaikaa edustava isokroninen käyrä on suora.

Yhteenveto

On tärkeää ymmärtää akun purkauskäyrä ja eri parametrit, jotka muodostavat akun tiettyyn kemiaan liittyvän purkauskäyräperheen. Monimutkaisista sähkökemiallisista ja termodynaamisista järjestelmistä johtuen akkujen purkauskäyrät ovat myös monimutkaisia, mutta ne ovat vain tapa ymmärtää eri akkukemian ja -rakenteiden suorituskyvyn kompromisseja.