Paano basahin ang curve ng paglabas ng baterya

Paano basahin ang curve ng paglabas ng baterya

Ang mga baterya ay kumplikadong electrochemical at thermodynamic system, at maraming salik ang nakakaapekto sa performance ng mga ito. Siyempre, ang kimika ng baterya ay ang pinakamahalagang kadahilanan. Gayunpaman, kapag nauunawaan kung aling uri ng baterya ang pinakaangkop para sa isang partikular na aplikasyon, kinakailangan ding isaalang-alang ang mga salik gaya ng rate ng paglabas ng singil, temperatura ng pagpapatakbo, mga kondisyon ng imbakan, at mga detalye ng pisikal na istraktura. Una, maraming mga termino ang kailangang tukuyin:

★ Open circuit voltage (Voc) ay ang boltahe sa pagitan ng mga terminal ng baterya kapag walang load sa baterya.

★ Ang boltahe ng terminal (Vt) ay ang boltahe sa pagitan ng mga terminal ng baterya kapag inilapat ang load sa baterya; Karaniwang mas mababa kaysa sa Voc.

Ang cut-off na boltahe (Vco) ay ang boltahe kung saan ang baterya ay ganap na na-discharge, gaya ng tinukoy. Bagama't karaniwang may natitirang lakas ng baterya, ang pagpapatakbo sa boltahe sa ibaba ng Vco ay maaaring makapinsala sa baterya.

★ Sinusukat ng kapasidad ang kabuuang ampere hours (AH) na maibibigay ng baterya kapag ganap na na-charge, hanggang umabot ang Vt sa Vco.

Ang rate ng paglabas ng singil (C-Rate) ay ang rate kung saan na-charge o na-discharge ang isang baterya kaugnay ng na-rate na kapasidad nito. Halimbawa, ang isang rate na 1C ay ganap na magcha-charge o mag-discharge ng baterya sa loob ng 1 oras. Sa discharge rate na 0.5C, ang baterya ay ganap na madidischarge sa loob ng 2 oras. Ang paggamit ng mas mataas na C-Rate ay kadalasang binabawasan ang magagamit na kapasidad ng baterya at maaaring makapinsala sa baterya.

★ Ang battery charging state (SoC) ay binibilang ang natitirang kapasidad ng baterya bilang isang porsyento ng maximum na kapasidad. Kapag ang SoC ay umabot sa zero at ang Vt ay umabot sa Vco, maaaring mayroon pa ring natitirang lakas ng baterya sa baterya, ngunit nang hindi napinsala ang baterya at naaapektuhan ang kapasidad sa hinaharap, ang baterya ay hindi na maaaring ma-discharge pa.

★ Ang discharge depth (DoD) ay isang pandagdag ng SoC, na sumusukat sa porsyento ng kapasidad ng baterya na na-discharge; DoD=100- SoC.

① Ang cycle life ay ang bilang ng mga available na cycle bago maabot ng baterya ang katapusan ng buhay ng serbisyo.

Ang pagtatapos ng buhay ng baterya (EoL) ay tumutukoy sa kawalan ng kakayahan ng baterya na gumana ayon sa paunang natukoy na mga minimum na detalye. Ang EoL ay masusukat sa iba't ibang paraan:

① Ang pagkabulok ng kapasidad ay batay sa ibinigay na porsyentong pagbaba sa kapasidad ng baterya kumpara sa na-rate na kapasidad sa ilalim ng mga tinukoy na kundisyon.

② Ang pagpapahina ng kuryente ay batay sa pinakamataas na lakas ng baterya sa isang partikular na porsyento kumpara sa na-rate na kapangyarihan sa ilalim ng mga tinukoy na kundisyon.

③ Tinutukoy ng energy throughput ang kabuuang dami ng enerhiya na inaasahang mapoproseso ng baterya sa panahon ng tagal nito, gaya ng 30MWh, batay sa mga partikular na kondisyon ng pagpapatakbo.

★ Sinusukat ng status ng kalusugan (SoH) ng baterya ang porsyento ng natitirang buhay na kapaki-pakinabang bago maabot ang EoL.

kurba ng polarisasyon

Ang curve ng paglabas ng baterya ay nabuo batay sa epekto ng polarization ng baterya na nangyayari sa proseso ng paglabas. Ang dami ng enerhiya na maibibigay ng baterya sa ilalim ng iba't ibang kondisyon ng pagpapatakbo, tulad ng C-rate at temperatura ng pagpapatakbo, ay malapit na nauugnay sa lugar sa ilalim ng discharge curve. Sa proseso ng paglabas, bababa ang Vt ng baterya. Ang pagbaba sa Vt ay nauugnay sa ilang pangunahing mga kadahilanan:

✔ IR drop - Ang pagbaba sa boltahe ng baterya na dulot ng kasalukuyang dumadaan sa internal resistance ng baterya. Ang salik na ito ay tumataas nang linear sa medyo mataas na rate ng paglabas, na may pare-parehong temperatura.

✔ Activation polarization - tumutukoy sa iba't ibang deceleration factor na nauugnay sa kinetics ng electrochemical reactions, gaya ng work function na dapat lampasan ng mga ions sa junction sa pagitan ng mga electrodes at electrolytes.

✔ Concentration polarization - Isinasaalang-alang ng salik na ito ang paglaban na kinakaharap ng mga ions sa panahon ng mass transfer (diffusion) mula sa isang electrode patungo sa isa pa. Ang kadahilanan na ito ay nangingibabaw kapag ang mga baterya ng lithium-ion ay ganap na na-discharge, at ang slope ng curve ay nagiging napakatarik.

Ang polarization curve (discharge curve) ng baterya ay nagpapakita ng pinagsama-samang epekto ng pagbaba ng IR, activation polarization, at concentration polarization sa Vt (potensiyal ng baterya). (Larawan: BioLogic)

Mga pagsasaalang-alang sa discharge curve

Ang mga baterya ay idinisenyo para sa isang malawak na hanay ng mga application at nagbibigay ng iba't ibang mga katangian ng pagganap. Halimbawa, mayroong hindi bababa sa anim na pangunahing sistema ng kemikal ng lithium ion, bawat isa ay may sariling natatanging hanay ng tampok. Ang discharge curve ay karaniwang naka-plot na may Vt sa Y-axis, habang ang SoC (o DoD) ay naka-plot sa X-axis. Dahil sa ugnayan sa pagitan ng pagganap ng baterya at iba't ibang mga parameter tulad ng C-rate at temperatura ng pagpapatakbo, ang bawat kemikal na sistema ng baterya ay may isang serye ng mga curve sa paglabas batay sa mga partikular na kumbinasyon ng mga parameter ng operating. Halimbawa, inihahambing ng sumusunod na figure ang pagganap ng discharge ng dalawang karaniwang lithium-ion chemical system at lead-acid na baterya sa temperatura ng kuwarto at 0.2C discharge rate. Ang hugis ng discharge curve ay may malaking kahalagahan sa mga designer.

Ang isang flat discharge curve ay maaaring gawing simple ang ilang mga disenyo ng application, dahil ang boltahe ng baterya ay nananatiling medyo stable sa buong ikot ng paglabas. Sa kabilang banda, ang slope curve ay maaaring gawing simple ang pagtatantya ng natitirang singil, dahil ang boltahe ng baterya ay malapit na nauugnay sa natitirang singil sa baterya. Gayunpaman, para sa mga baterya ng lithium-ion na may mga flat discharge curve, ang pagtatantya ng natitirang singil ay nangangailangan ng mas kumplikadong mga pamamaraan, gaya ng pagbibilang ng Coulomb, na sumusukat sa discharge current ng baterya at isinasama ang kasalukuyang sa paglipas ng panahon upang matantya ang natitirang singil.

Bilang karagdagan, ang mga baterya na may pababang sloping discharge curve ay nakakaranas ng pagbaba ng power sa buong ikot ng discharge. Maaaring kailanganin ang baterya na 'labis na laki' upang suportahan ang mga high-power na application sa pagtatapos ng ikot ng paglabas. Karaniwang kinakailangan na gumamit ng boost voltage regulator para mapagana ang mga sensitibong device at system gamit ang mga baterya na may matarik na discharge curve.

Ang sumusunod ay ang discharge curve ng isang lithium-ion na baterya, na nagpapakita na kung ang baterya ay na-discharge sa napakataas na rate (o vice versa, sa mababang rate), ang epektibong kapasidad ay bababa (o tataas). Tinatawag itong capacity shift, at ang epektong ito ay karaniwan sa karamihan ng mga sistema ng kemikal ng baterya.

Bumababa ang boltahe at kapasidad ng mga baterya ng lithium-ion sa pagtaas ng C rate. (Larawan: Richtek)

Ang temperatura sa pagtatrabaho ay isang mahalagang parameter na nakakaapekto sa pagganap ng baterya. Sa napakababang temperatura, maaaring mag-freeze ang mga bateryang may water-based na electrolyte, na nililimitahan ang mas mababang limitasyon ng saklaw ng temperatura ng pagpapatakbo ng mga ito. Ang mga baterya ng Lithium ion ay maaaring makaranas ng negatibong electrode lithium deposition sa mababang temperatura, na permanenteng binabawasan ang kapasidad. Sa mataas na temperatura, maaaring mabulok ang mga kemikal at maaaring huminto sa paggana ang baterya. Sa pagitan ng pagyeyelo at pagkasira ng kemikal, ang pagganap ng baterya ay karaniwang nag-iiba nang malaki sa mga pagbabago sa temperatura.

Ipinapakita ng sumusunod na figure ang epekto ng iba't ibang temperatura sa pagganap ng mga baterya ng lithium-ion. Sa napakababang temperatura, maaaring makabuluhang bumaba ang pagganap. Gayunpaman, ang curve ng paglabas ng baterya ay isang aspeto lamang ng pagganap ng baterya. Halimbawa, mas malaki ang deviation sa pagitan ng operating temperature ng mga lithium-ion na baterya at room temperature (mataas man o mababang temperatura), mas mababa ang cycle life. Para sa mga partikular na aplikasyon, ang kumpletong pagsusuri sa lahat ng mga salik na nakakaapekto sa pagiging angkop ng iba't ibang mga sistema ng kemikal ng baterya ay lampas sa saklaw ng curve ng paglabas ng baterya ng artikulong ito. Ang isang halimbawa ng iba pang mga pamamaraan para sa pagsusuri ng pagganap ng iba't ibang mga baterya ay ang Lagone plot.

Ang boltahe at kapasidad ng baterya ay depende sa temperatura. (Larawan: Richtek)

Mga plot ng Lagone

Inihahambing ng Lagoon diagram ang partikular na kapangyarihan at tiyak na enerhiya ng iba't ibang teknolohiya sa pag-iimbak ng enerhiya. Halimbawa, kapag isinasaalang-alang ang mga baterya ng de-kuryenteng sasakyan, ang partikular na enerhiya ay nauugnay sa saklaw, habang ang partikular na kapangyarihan ay tumutugma sa pagganap ng acceleration.

Isang Ragone diagram na naghahambing ng ugnayan sa pagitan ng tiyak na enerhiya at tiyak na kapangyarihan ng iba't ibang teknolohiya. (Larawan: Researchgate)

Ang Lagoon diagram ay batay sa mass energy density at power density, at hindi kasama ang anumang impormasyong nauugnay sa mga parameter ng volume. Bagama't binuo ng metallurgist na si David V. Lagone ang mga chart na ito upang ihambing ang pagganap ng iba't ibang chemistry ng baterya, ang Lagone chart ay angkop din para sa paghahambing ng anumang hanay ng mga energy storage at energy device, tulad ng mga engine, gas turbine, at fuel cell.

Ang ratio sa pagitan ng partikular na enerhiya sa Y-axis at ang partikular na kapangyarihan sa X-axis ay ang bilang ng mga oras na gumagana ang device sa rate na kapangyarihan. Ang laki ng device ay hindi nakakaapekto sa relasyong ito, dahil ang mas malalaking device ay magkakaroon ng proporsyonal na mas mataas na kapangyarihan at kapasidad ng enerhiya. Ang isochronous curve na kumakatawan sa patuloy na oras ng pagpapatakbo sa Lagoon diagram ay isang tuwid na linya.

Buod

Mahalagang maunawaan ang discharge curve ng isang baterya at ang iba't ibang mga parameter na bumubuo sa discharge curve na pamilya na nauugnay sa partikular na chemistry ng baterya. Dahil sa mga kumplikadong electrochemical at thermodynamic system, ang mga discharge curve ng mga baterya ay kumplikado rin, ngunit ang mga ito ay isang paraan lamang upang maunawaan ang performance trade-off sa pagitan ng iba't ibang chemistry at structure ng baterya.