Kakšne so značilnosti polnjenja in praznjenja?

Kakšne so značilnosti polnjenja in praznjenja?

Napolnite inrazrešnicaznačilnosti

Litij-ionske baterije običajno uporabljajo dvo{1}}stopenjski način polnjenja, da zagotovijo varnost, zanesljivost in učinkovitost polnjenja. Prva stopnja je konstantni tok z omejitvijo napetosti, druga stopnja pa konstantna napetost z omejitvijo toka. Največja meja napetosti za polnjenje litij-ionske baterije se razlikuje glede na material katode. Osnovne krivulje napetosti polnjenja/praznjenja litij-ionske baterije so prikazane na sliki 3-11. Krivulje na sliki uporabljajo tok polnjenja/praznjenja C/3. Pri različnih litij-ionskih baterijah sta glavni razliki dve:

1) Optimalna vrednost konstantnega toka za prvo stopnjo se spreminja glede na material katode baterije in proizvodni proces. Na splošno se uporablja tokovno območje od 0,2C do 0,3C. V primerih hitre porabe energije se lahko uporabijo stopnje 1C, 2C ali celo višje.

2) Različne litij-ionske baterije kažejo znatne razlike v trajanju konstantnega toka, precej pa se razlikuje tudi delež zmogljivosti, ki jo je mogoče napolniti s konstantnim tokom, glede na celotno kapaciteto. Z vidika praktičnih aplikacij za električna vozila daljše trajanje konstantnega toka povzroči krajši skupni čas polnjenja, kar je bolj koristno za aplikacije.

Napetost litij{0}}ionske baterije je stabilna in se počasi zmanjšuje v zgodnji in srednji fazi praznjenja, vendar hitro pada v kasnejših fazah, kot je prikazano v segmentu DE na sliki 3-11. Učinkovit nadzor je v tej fazi ključnega pomena, da se prepreči prekomerna izpraznjenost in nepopravljiva škoda na bateriji.

Dejavniki, ki vplivajo na značilnosti polnjenja

(1) Učinekpolnilni toko značilnostih polnjenja Če za primer vzamemo določeno litij{0}}ionsko baterijo NCM z nazivno kapaciteto 242 A·h, pod pogoji SOC=0% in konstantno temperaturo 20 stopinj, so bile za polnjenje uporabljene različne stopnje polnjenja. Rezultati parametrov so prikazani v tabeli 3-1, krivulja polnjenja pa na sliki 3-12.

Tabela 3-1 Parametri polnjenja za različne stopnje polnjenja

① CC, konstantni tok; CV, konstantna napetost.

Kot je prikazano v tabeli 3-1, se čas konstantnega toka postopoma zmanjšuje z naraščanjem polnilnega toka, postopoma pa se zmanjšujeta tudi zmogljivost in energija, ki ju je mogoče napolniti pri konstantnem toku. Če upoštevamo zmogljivost polnjenja in praznjenja 1/2 (tj. SOC=50%) kot standard, se zahtevani čas polnjenja zmanjšuje z naraščanjem polnilnega toka; čas, potreben za 0,1C, je približno 5-krat večji od časa za 0,5C. Pod tem pogojem je trenutna razlika za nadaljevanje polnjenja majhna, tako da čas polnjenja za zadnjih 30 A·h ni bistveno drugačen. Zato v okviru dovoljenega polnilnega toka akumulatorja povečanje polnilnega toka, čeprav zmanjša zmogljivost in energijo, ki jo je mogoče napolniti pod stalnim tokom, pomaga skrajšati skupni čas polnjenja. V praktičnih aplikacijah baterijskih paketov se lahko za polnjenje uporabi največji dovoljeni polnilni tok litij-ionske baterije, po dosegu napetostne meje pa se lahko izvede polnjenje s konstantno napetostjo. To skrajša čas polnjenja, hkrati pa zagotavlja varnost polnjenja. Vendar bo povečanje polnilnega toka povzročilo tudi povečanje izgube energije zaradi notranjega upora baterije. Energija, porabljena v notranjem uporu, se izračuna v skladu z enačbo (3-4).

Kjer je E energija, ki jo porabi notranji upor;

r je notranji upor baterije;

t je spremenljivka časa polnjenja;

I je polnilni tok;

t₁ in t₂ sta začetni in končni čas polnjenja.

Obsežna testiranja so pokazala, da se notranji upor litij-ionskih baterij med polnjenjem spreminja znotraj 0,4 mΩ. Zato enačba (3-4) kaže, da je poraba energije zaradi notranjega upora baterije v bistvu linearno povezana s časom polnjenja, vendar kvadratno povezana s polnilnim tokom. V fazi polnjenja s konstantnim tokom je velikost polnilnega toka glavni dejavnik, ki vpliva na porabo energije notranjega upora; višji polnilni tok povzroči večjo porabo energije. Med stopnjo konstantne napetosti in nizkega toka postane čas polnjenja glavni dejavnik, ki vpliva na porabo energije notranjega upora; daljši čas polnjenja povzroči večjo porabo energije. Glede na celoten proces polnjenja, ker ima polnilni tok kvadratni odnos s porabo energije notranjega upora in je glavni dejavnik, ki nanjo vpliva, večji polnilni tok povzroči večjo porabo energije notranjega upora. Pri praktičnih uporabah akumulatorjev je treba izbrati ustrezen polnilni tok ob celovitem upoštevanju časa polnjenja in učinkovitosti.

(2) Vpliv globine praznjenja na karakteristike polnjenja Pri konstantni temperaturi 20 stopinj je bil opravljen preskus praznjenja na litij-ionski bateriji NCM z nazivno kapaciteto 66,2 A·h. Baterija je bila izpraznjena s hitrostjo 0,5 C do različnih globin praznjenja (DOD) (10 % → 100 %), kar ustreza stanju napolnjenosti (SOC) 90 % → 0 %. Podatki o napetosti, toku in kapaciteti so bili zabeleženi med postopkom praznjenja. Po 60 minutah mirovanja je bila baterija napolnjena s hitrostjo 0,5 C (CC). Ko je bila dosežena mejna napetost, se je način polnjenja preklopil na konstantno napetost (CV). Ko je bil tok manjši od 0,05C, je bil proces ustavljen in zabeleženi so bili podatki o napetosti, toku in kapaciteti. Ustrezni podatki so prikazani v tabeli 3-2. Krivulje polnilnega toka litij-ionske baterije pri različnih pogojih globine praznjenja so prikazane na sliki 3-13.

Tabela 3-2 Preizkusni parametri polnjenja pri različnih globinah praznjenja

① Enaka-zmogljivost zaračunane energije: energija, zaračunana pri enaki spremembi SOC (npr. 10 %). Na primer: če je zmogljivost polnjenja pri 90 % DOD 30 W·h, je enaka-zmogljivost polnjene energije 30 W·h; če je polnilna zmogljivost pri 80 % DOD 50 W·h, je enako{11}}napolnjena energija 25 W·h.

② Enako{0}}zmogljivost izpraznjene energije: izpraznjena energija pri enaki spremembi SOC (npr. 10 %).

③ Povprečni čas polnjenja na enoto zmogljivosti/min: čas polnjenja/zmogljivost polnjenja.

Iz tabele 3-2 in slike 3-13 lahko sklepamo naslednje:

1) Z naraščajočo globino praznjenja se čas polnjenja povečuje, vendar se povprečni čas polnjenja na enoto kapacitete zmanjšuje, kar pomeni, da podaljšanje časa polnjenja ni sorazmerno z globino praznjenja.

2) Z naraščajočo globino praznjenja se poveča delež časa polnjenja s konstantnim tokom in skupnega časa polnjenja, delež polnilne zmogljivosti s konstantnim tokom in zahtevane zmogljivosti polnjenja pa se poveča. V resnici te lastnosti povzročata predvsem dva dejavnika: prvič, globlja izpraznjenost zahteva daljši čas, da se baterija popolnoma napolni; drugič, globlja globina praznjenja ustreza nižjemu območju napetosti, kar ima za posledico manj energije, ki se polni v baterijo pod enakimi pogoji toka in časa polnjenja.

(3) Vpliv temperature na polnilne lastnosti Litij-ionske baterije so bile polnjene pri različnih temperaturah okolja. Če za primer vzamemo 66,2 A·h NCM litij-ionsko baterijo, smo uporabili metodo omejevanja konstantnega toka in napetosti. Parametri polnjenja so bili zabeleženi z omejitvijo polnilnega toka 1,3 A in 3,3 A, kot je prikazano v tabeli 3-3. Pod enakim tokom praznjenja bo napetost baterije močno padla, kot je prikazano na sliki 3-13. Ker pa napetost ostaja relativno visoka, je energija praznjenja še vedno visoka. V začetni fazi praznjenja energija, ki jo porabi notranji upor baterije, poveča temperaturo baterije, poveča aktivnost aktivnih materialov litij-ionske baterije in zviša napetost baterije, s čimer se poveča energija, ki se lahko sprosti. V srednjih in kasnejših fazah praznjenja se napetost akumulatorja zmanjša, s tem pa se zmanjša tudi sproščena energija na časovno enoto.

Pri enaki temperaturi in enaki zaključni napetosti praznjenja bodo različni zaključni tokovi praznjenja povzročili razlike v kapaciteti in sproščeni energiji. Na splošno pri normalnih temperaturnih pogojih nižji kot je tok, večja je zmogljivost in sproščena energija. Kot v zgoraj omenjenem poskusu praznjenja, 0,2 C sprosti 3,2 % več kapacitete in energije kot 1 C.