Batareyanın boşalma əyrisini necə oxumaq olar

Batareyanın boşalma əyrisini necə oxumaq olar

Batareyalar mürəkkəb elektrokimyəvi və termodinamik sistemlərdir və onların işinə bir çox amillər təsir edir. Əlbəttə ki, batareyanın kimyası ən vacib amildir. Bununla belə, hansı növ batareyanın müəyyən bir tətbiq üçün ən uyğun olduğunu başa düşərkən, həmçinin yükün boşaldılması dərəcəsi, iş temperaturu, saxlama şəraiti və fiziki struktur detalları kimi amilləri nəzərə almaq lazımdır. Əvvəlcə bir neçə termini müəyyənləşdirmək lazımdır:

★ Açıq dövrə gərginliyi (Voc) batareyada yük olmadıqda batareya terminalları arasındakı gərginlikdir.

★ Terminal gərginliyi (Vt) batareyaya yük tətbiq edildikdə akkumulyator terminalları arasındakı gərginlikdir; Adətən Voc-dan aşağıdır.

Kəsmə gərginliyi (Vco) müəyyən edildiyi kimi batareyanın tam boşaldığı gərginlikdir. Adətən qalan batareya gücü olsa da, Vco-dan aşağı gərginlikdə işləmək batareyaya zərər verə bilər.

★ Tutum, Vt Vco-ya çatana qədər tam doldurulduqda batareyanın təmin edə biləcəyi ümumi amper saatını (AH) ölçür.

Şarj boşalma dərəcəsi (C-Rate) batareyanın nominal gücünə nisbətən doldurulma və ya boşalma dərəcəsidir. Məsələn, 1C dərəcəsi batareyanı 1 saat ərzində tam dolduracaq və ya boşaldacaq. 0,5C boşalma dərəcəsi ilə batareya 2 saat ərzində tam boşalacaq. Daha yüksək C-Rate istifadə etmək adətən mövcud batareya tutumunu azaldır və batareyaya zərər verə bilər.

★ Batareyanın doldurulması vəziyyəti (SoC) qalan batareya tutumunu maksimum tutumun faizi kimi göstərir. SoC sıfıra çatdıqda və Vt Vco-ya çatdıqda, batareyada hələ də batareya gücü qala bilər, lakin batareyaya zərər vermədən və gələcək tutuma təsir etmədən batareyanı daha da boşalda bilməzsiniz.

★ Boşaltma dərinliyi (DoD) boşaldılmış batareya tutumunun faizini ölçən SoC-nin tamamlayıcısıdır; DoD=100- SoC.

① Dövr müddəti, batareyanın xidmət müddəti başa çatana qədər mövcud dövrlərin sayıdır.

Batareyanın ömrünün sonu (EoL) batareyanın əvvəlcədən müəyyən edilmiş minimum spesifikasiyalara uyğun işləyə bilməməsinə aiddir. EoL müxtəlif yollarla ölçülə bilər:

① Tutumun azalması müəyyən şərtlərdə nominal tutumla müqayisədə batareya tutumunun verilən faiz azalmasına əsaslanır.

② Gücün zəifləməsi müəyyən şərtlərdə nominal güclə müqayisədə verilən faizdə batareyanın maksimum gücünə əsaslanır.

③ Enerji ötürmə qabiliyyəti, xüsusi iş şərtlərinə əsasən, batareyanın ömrü boyu emal edəcəyi gözlənilən enerjinin ümumi miqdarını, məsələn, 30 MVt/saat miqdarını müəyyən edir.

★ Batareyanın sağlamlıq vəziyyəti (SoH) EoL-ə çatana qədər qalan faydalı istifadə müddətinin faizini ölçür.

Qütbləşmə əyrisi

Batareyanın boşalma əyrisi boşalma prosesində meydana gələn batareyanın polarizasiya effektinə əsasən formalaşır. Batareyanın müxtəlif iş şəraitində təmin edə biləcəyi enerji miqdarı, məsələn, C dərəcəsi və işləmə temperaturu, boşalma əyrisi altındakı sahə ilə sıx bağlıdır. Boşaltma prosesi zamanı batareyanın Vt azalacaq. Vt-nin azalması bir neçə əsas amillə bağlıdır:

✔ IR düşməsi - Akkumulyatorun daxili müqavimətindən keçən cərəyanın səbəb olduğu batareya gərginliyinin azalması. Bu amil sabit temperaturla nisbətən yüksək axıdma sürətində xətti olaraq artır.

✔ Aktivləşdirmə qütbləşməsi - elektrokimyəvi reaksiyaların kinetikası ilə bağlı müxtəlif yavaşlama amillərinə aiddir, məsələn, elektrodlar və elektrolitlər arasındakı qovşaqda ionların öhdəsindən gəlməli olduğu iş funksiyası.

✔ Konsentrasiya polarizasiyası - Bu amil kütlənin bir elektroddan digərinə ötürülməsi (diffuziya) zamanı ionların üzləşdiyi müqaviməti nəzərə alır. Litium-ion batareyaları tam boşaldıqda bu amil üstünlük təşkil edir və əyrinin yamacı çox dik olur.

Batareyanın qütbləşmə əyrisi (boşaltma əyrisi) Vt (batareya potensialı) üzərində IR azalması, aktivləşmə qütbləşməsi və konsentrasiya qütbləşməsinin kumulyativ təsirlərini göstərir. (Şəkil: BioLogic)

Boşaltma əyrisi mülahizələri

Batareyalar geniş tətbiqlər üçün nəzərdə tutulmuşdur və müxtəlif performans xüsusiyyətlərini təmin edir. Məsələn, hər birinin özünəməxsus xüsusiyyətləri dəsti olan ən azı altı əsas litium-ion kimyəvi sistemi var. Boşaltma əyrisi adətən Y oxunda Vt ilə, X oxunda isə SoC (və ya DoD) çəkilir. Batareyanın performansı ilə C-dərəcəsi və işləmə temperaturu kimi müxtəlif parametrlər arasındakı əlaqəyə görə, hər bir batareyanın kimyəvi sistemində xüsusi əməliyyat parametrlərinin birləşmələrinə əsaslanan bir sıra boşalma əyriləri var. Məsələn, aşağıdakı rəqəm otaq temperaturunda və 0,2C boşalma sürətində iki ümumi litium-ion kimyəvi sistemin və qurğuşun-turşu batareyalarının boşalma performansını müqayisə edir. Boşaltma əyrisinin forması dizaynerlər üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir.

Düz boşalma əyrisi müəyyən tətbiq dizaynlarını sadələşdirə bilər, çünki batareyanın gərginliyi bütün boşalma dövrü ərzində nisbətən sabit qalır. Digər tərəfdən, yamac əyrisi qalıq yükün hesablanmasını sadələşdirə bilər, çünki akkumulyatorun gərginliyi akkumulyatordakı qalıq yüklə sıx bağlıdır. Bununla belə, düz boşalma əyriləri olan litium-ion batareyaları üçün qalıq yükün hesablanması daha mürəkkəb üsullar tələb edir, məsələn, batareyanın boşalma cərəyanını ölçən və qalıq yükü qiymətləndirmək üçün zamanla cərəyanı birləşdirən Coulomb hesablaması.

Bundan əlavə, aşağı meylli boşalma əyriləri olan batareyalar bütün boşalma dövrü ərzində gücün azalması ilə üzləşirlər. Boşaltma dövrünün sonunda yüksək güclü tətbiqləri dəstəkləmək üçün "artıq ölçülü" batareya tələb oluna bilər. Dik boşalma əyriləri olan batareyalardan istifadə edən həssas cihazları və sistemləri gücləndirmək üçün adətən gücləndirici gərginlik tənzimləyicisindən istifadə etmək lazımdır.

Aşağıda litium-ion batareyanın boşalma əyrisi verilmişdir, bu, batareyanın çox yüksək sürətlə boşaldılması (və ya əksinə, aşağı sürətlə) effektiv tutumun azalacağını (və ya artacağını) göstərir. Buna tutum dəyişikliyi deyilir və bu təsir əksər akkumulyator kimya sistemlərində yaygındır.

Litium-ion batareyalarının gərginliyi və tutumu C dərəcəsinin artması ilə azalır. (Şəkil: Richtek)

İş temperaturu batareyanın işinə təsir edən mühüm parametrdir. Çox aşağı temperaturda su əsaslı elektrolitləri olan akkumulyatorlar dondurularaq onların işləmə temperaturu diapazonunun aşağı həddini məhdudlaşdıra bilər. Litium ion batareyaları aşağı temperaturda mənfi elektrod litium çökməsi ilə qarşılaşa bilər, tutumu daim azaldır. Yüksək temperaturda kimyəvi maddələr parçalana bilər və batareya işləməyi dayandıra bilər. Donma və kimyəvi zədələnmə arasında batareyanın performansı adətən temperatur dəyişiklikləri ilə əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir.

Aşağıdakı rəqəm müxtəlif temperaturların litium-ion batareyalarının işinə təsirini göstərir. Çox aşağı temperaturda performans əhəmiyyətli dərəcədə azala bilər. Bununla belə, batareyanın boşaldılması əyrisi batareya performansının yalnız bir aspektidir. Məsələn, litium-ion batareyalarının işləmə temperaturu ilə otaq temperaturu (yüksək və ya aşağı temperaturda) arasındakı sapma nə qədər çox olarsa, dövriyyə müddəti bir o qədər aşağı olur. Xüsusi tətbiqlər üçün müxtəlif batareya kimyəvi sistemlərinin tətbiqinə təsir edən bütün amillərin tam təhlili bu məqalənin batareyanın boşaldılması əyrisinin əhatə dairəsindən kənardadır. Müxtəlif batareyaların işini təhlil etmək üçün digər üsullara misal olaraq Lagone süjetini göstərmək olar.

Batareyanın gərginliyi və tutumu temperaturdan asılıdır. (Şəkil: Richtek)

Lagone süjetləri

Lagoon diaqramı müxtəlif enerji saxlama texnologiyalarının xüsusi gücünü və xüsusi enerjisini müqayisə edir. Məsələn, elektrik avtomobil akkumulyatorlarını nəzərdən keçirərkən, xüsusi enerji diapazonla, xüsusi güc isə sürətlənmə performansına uyğundur.

Müxtəlif texnologiyaların xüsusi enerjisi ilə xüsusi gücü arasındakı əlaqəni müqayisə edən Raqon diaqramı. (Şəkil: Researchgate)

Lagoon diaqramı kütləvi enerji sıxlığına və güc sıxlığına əsaslanır və həcm parametrləri ilə bağlı heç bir məlumatı ehtiva etmir. Metallurq David V. Lagone müxtəlif akkumulyator kimyasının performansını müqayisə etmək üçün bu cədvəlləri hazırlasa da, Lagone cədvəli mühərriklər, qaz turbinləri və yanacaq elementləri kimi istənilən enerji saxlama və enerji cihazlarını müqayisə etmək üçün də uyğundur.

Y oxundakı xüsusi enerji ilə X oxundakı xüsusi güc arasındakı nisbət cihazın nominal gücdə işlədiyi saatların sayıdır. Cihazın ölçüsü bu əlaqəyə təsir göstərmir, çünki daha böyük cihazlar mütənasib olaraq daha yüksək güc və enerji tutumuna malik olacaqdır. Lagoon diaqramında sabit iş vaxtını əks etdirən izoxron əyri düz xəttdir.

Xülasə

Batareyanın boşalma əyrisini və xüsusi batareya kimyası ilə əlaqəli boşalma əyrisi ailəsini təşkil edən müxtəlif parametrləri başa düşmək vacibdir. Mürəkkəb elektrokimyəvi və termodinamik sistemlərə görə, batareyaların boşalma əyriləri də mürəkkəbdir, lakin onlar yalnız müxtəlif akkumulyator kimyası və strukturları arasında performans nisbətlərini anlamaq üçün bir yoldur.