Зарядтау және разряд сипаттамалары қандай?
Зарядтау жәнеразрядсипаттамалары
Литий-иондық батареялар қауіпсіздікті, сенімділікті және зарядтау тиімділігін қамтамасыз ету үшін әдетте екі сатылы зарядтау әдісін пайдаланады. Бірінші кезең - кернеуді шектейтін тұрақты ток, ал екінші кезең - ток шектеуі бар тұрақты кернеу. Литий-иондық батареяны зарядтауға арналған максималды кернеу шегі катод материалына байланысты өзгереді. Литий-иондық аккумулятордың негізгі зарядтау/разрядтық кернеу қисықтары-3-суретте-11 көрсетілген. Суреттегі қисықтар C/3 заряд/разряд тогын пайдаланады. Әртүрлі литий-иондық батареялар үшін негізгі айырмашылықтар екі:
1) Бірінші кезең үшін оңтайлы тұрақты ток мәні батареяның катодтық материалына және өндіру процесіне байланысты өзгереді. Әдетте 0,2С-тен 0,3С-қа дейінгі ток диапазоны пайдаланылады. Қуатты жылдам тұтыну жағдайында 1С, 2С немесе одан да жоғары жылдамдықтарды пайдалануға болады.
2) Әртүрлі литий-иондық батареялар тұрақты ток ұзақтығында айтарлықтай айырмашылықтарды көрсетеді және тұрақты токпен зарядталатын сыйымдылықтың жалпы сыйымдылыққа үлесі де айтарлықтай өзгереді. Электрлік көлікті практикалық қолдану тұрғысынан қарағанда, тұрақты токтың ұзағырақ ұзақтығы жалпы зарядтау уақытының қысқаруына әкеледі, бұл қолданбалар үшін тиімдірек.
Литий{0}}иондық аккумулятордың кернеуі тұрақты және разрядтың ерте және орта кезеңдерінде баяу төмендейді, бірақ 3-11-суреттің DE сегментінде көрсетілгендей кейінгі кезеңдерінде тез төмендейді. Батареяның шамадан тыс зарядсыздануын және қайтымсыз зақымдануын болдырмау үшін осы кезеңде тиімді бақылау өте маңызды.
Зарядтау сипаттамаларына әсер ететін факторлар
(1) әсерізарядтау тогызарядтау сипаттамалары туралы Мысал ретінде номиналды сыйымдылығы 242А·сағ белгілі NCM литий{0}}ионды аккумуляторын алсақ, SOC=0% және тұрақты температура 20 градус жағдайында зарядтау үшін әртүрлі зарядтау жылдамдығы қолданылды. Параметр нәтижелері 3-1 кестеде және зарядтау қисығы 3-12 суретте көрсетілген.
Кесте 3-1 Әртүрлі зарядтау мөлшерлемелері үшін зарядтау параметрлері
| Ағымдағы/А(бағасы) | CC-CV①Жалпы уақыт | Тұрақты ағымдағы уақыт/с | Жалпы зарядталған сыйымдылық/А·сағ | Жалпы зарядталған энергия/Вт·сағ | Тұрақты токЗарядталған сыйымдылық/А·сағ | Тұрақты кернеуЗарядталған энергия/Вт·сағ | 170А·сағУақыт/с | 170А·сағТок/А |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4.84/(0.02C) | 182220 | 182220 | 245.74 | 942.54 | 245.74 | 942.54 | 127400 | 4.85 |
| 12.1/(0.05C) | 72318.5 | 72318.5 | 243.70 | 935.37 | 243.70 | 935.37 | 50400 | 12.11 |
| 24.2/(0.1C) | 36206.8 | 35800 | 243.20 | 935.77 | 241.03 | 926.69 | 25200 | 24.24 |
| 48.4/(0.2C) | 18317.5 | 17560 | 241.08 | 933.32 | 236.32 | 912.16 | 12600 | 48.44 |
| 80.7/(0.33C) | 11443.6 | 10490 | 243.50 | 946.27 | 235.29 | 910.08 | 7590 | 80.76 |
| 121/(0.5C) | 7936.6 | 6900 | 243.92 | 952.95 | 232.09 | 900.85 | 5110 | 121.09 |
① CC, Тұрақты ток; CV, Тұрақты кернеу.
3-1-кестеде көрсетілгендей, зарядтау тогы артқан сайын тұрақты ток уақыты бірте-бірте азаяды, ал тұрақты ток кезінде зарядталатын қуат пен энергия да бірте-бірте азаяды. Стандарт ретінде 1/2 (яғни, SOC=50%) зарядтау және разрядтау сыйымдылығын алсақ, зарядтау тогы артқан сайын талап етілетін зарядтау уақыты азаяды; 0,1С үшін қажетті уақыт 0,5С үшін шамамен 5 есе көп. Бұл жағдайда үздіксіз зарядтау үшін ағымдағы айырмашылық аз, сондықтан соңғы 30А·сағ үшін зарядтау уақыты айтарлықтай ерекшеленбейді. Сондықтан аккумулятордың рұқсат етілген зарядтау тогы шегінде зарядтау тогын ұлғайту, тұрақты ток кезінде зарядталатын қуат пен қуатты азайтса да, жалпы зарядтау уақытын қысқартуға көмектеседі. Батарея жинағын практикалық қолдануда литий-иондық аккумулятордың максималды рұқсат етілген зарядтау тогын зарядтау үшін пайдалануға болады, ал кернеу шегіне жеткеннен кейін тұрақты кернеуді зарядтауды орындауға болады. Бұл зарядтау қауіпсіздігін қамтамасыз ете отырып, зарядтау уақытын қысқартады. Дегенмен, зарядтау тогын ұлғайту аккумулятордың ішкі кедергісіне байланысты энергия шығынының артуына да әкеледі. Ішкі кедергіде тұтынылатын энергия (3-4) теңдеу бойынша есептеледі.
Мұндағы E – ішкі кедергіге жұмсалатын энергия;
r – аккумулятордың ішкі кедергісі;
t – зарядтау уақытының айнымалысы;
I – зарядтау тогы;
t₁ және t₂ – зарядтаудың басталу және аяқталу уақыты.
Кең ауқымды сынақтар зарядтау кезінде литий{0}}иондық батареялардың ішкі кедергісі 0,4 мОм шамасында өзгеретінін көрсетті. Сондықтан (3-4) теңдеу аккумулятордың ішкі кедергісіне байланысты энергия шығыны негізінен зарядтау уақытына сызықтық байланысты, бірақ зарядтау токына квадраттық байланысты екенін көрсетеді. Тұрақты токтың зарядтау сатысында зарядтау тогының шамасы ішкі кедергінің энергия тұтынуына әсер ететін негізгі фактор болып табылады; жоғары зарядтау тогы энергияны көп тұтынуға әкеледі. Тұрақты кернеу, төмен ток сатысы кезінде зарядтау уақыты ішкі кедергінің энергия тұтынуына әсер ететін негізгі факторға айналады; ұзағырақ зарядтау уақыты көбірек қуат тұтынуға әкеледі. Бүкіл зарядтау процесін ескере отырып, зарядтау тогы ішкі қарсылық энергияны тұтынумен квадраттық қатынасқа ие болғандықтан және оған әсер ететін негізгі фактор болып табылатындықтан, жоғары зарядтау тогы ішкі қарсылық энергияны тұтынуға әкеледі. Батареяны практикалық қолданбаларда зарядтау уақыты мен тиімділігін жан-жақты ескере отырып, қолайлы зарядтау тогын таңдау керек.
(2) Зарядтау тереңдігінің зарядтау сипаттамаларына әсері 20 градус тұрақты температурада номиналды сыйымдылығы 66,2 А·сағ NCM литий{2}}ионды батареясында зарядсыздану сынағы жүргізілді. Батарея 90%→0% заряд күйіне (SOC) сәйкес келетін әртүрлі разряд тереңдіктеріне (DOD) (10%→100%) 0,5С жылдамдықпен зарядсызданды. Разрядтау процесі кезінде кернеу, ток және қуаттылық деректері жазылды. 60 минут демалғаннан кейін батарея 0,5С (CC) жылдамдықпен зарядталды. Шектеу кернеуіне жеткенде, зарядтау режимі тұрақты кернеуге (CV) ауыстырылды. Ток күші 0,05С-тан төмен болған кезде процесс тоқтатылды, кернеу, ток және қуаттылық деректері жазылды. Сәйкес деректер 3-2-кестеде көрсетілген. Литий-ионды аккумулятордың зарядтау тоғының қисық сызықтары әртүрлі разрядтау тереңдігі жағдайында 3-13-суретте көрсетілген.
Кесте 3-2 Әртүрлі разряд тереңдігіндегі зарядтау сынағының параметрлері
| SOC | DOD | Шығару | Зарядтау | Тең-Зарядталған қуат①/Вт·сағ | Тең-СыйымдылықТасылған энергия②/Вт·сағ | Зарядтау уақыты/мин | Тұрақты ағымдағы уақыт/мин | Тұрақты токЗарядталған сыйымдылық/А·сағ | Зарядтау таймперінің орташа сыйымдылығы③/мин | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Сыйымдылығы/А·сағ | Энергия/Вт·сағ | Сыйымдылығы/А·сағ | Энергия/Вт·сағ | ||||||||
| 80.00 | 20.00 | 13.35 | 54.03 | 13.48 | 55.88 | 27.94 | 27.02 | 41.13 | 33.50 | 12.32 | 3.05 |
| 70.00 | 30.00 | 20.02 | 80.16 | 19.99 | 82.08 | 27.36 | 26.72 | 59.23 | 50.83 | 18.69 | 2.96 |
| 60.00 | 40.00 | 26.69 | 105.62 | 26.61 | 108.19 | 27.05 | 26.41 | 77.72 | 68.50 | 25.19 | 2.92 |
| 50.00 | 50.00 | 33.36 | 130.42 | 33.27 | 133.61 | 26.72 | 26.08 | 96.02 | 86.67 | 31.87 | 2.89 |
| 40.00 | 60.00 | 40.04 | 154.61 | 39.95 | 158.50 | 26.42 | 25.77 | 114.18 | 104.83 | 38.55 | 2.86 |
| 30.00 | 70.00 | 46.71 | 178.38 | 46.61 | 182.97 | 26.14 | 25.48 | 132.28 | 123.00 | 45.22 | 2.84 |
| 20.00 | 80.00 | 53.38 | 201.73 | 53.26 | 207.07 | 25.88 | 25.22 | 150.40 | 141.00 | 51.84 | 2.82 |
| 10.00 | 90.00 | 60.05 | 224.45 | 59.92 | 230.62 | 25.62 | 24.94 | 168.47 | 159.17 | 58.52 | 2.81 |
① Тең-Зарядталған қуат: бірдей SOC өзгерісі кезінде зарядталған энергия (мысалы, 10%). Мысалы: 90% DOD кезінде зарядтау сыйымдылығы 30Вт·сағ болса, тең-қуатты зарядталған энергия 30Вт·сағ; егер 80% DOD кезінде зарядтау сыйымдылығы 50 Вт·сағ болса, тең{11}}қуатты зарядталған қуат 25 Вт·сағ.
② Тең-қуаты разрядталған энергия: бірдей SOC өзгерісі кезінде шығарылатын энергия (мысалы, 10%).
③ Бірлік сыйымдылығының орташа зарядтау уақыты /мин: Зарядтау уақыты / зарядтау сыйымдылығы.
3-2 кестеден және 3-13 суреттен келесі қорытынды жасауға болады:
1) Разрядтау тереңдігі артқан сайын зарядтау уақыты артады, бірақ бірлік сыйымдылықтағы орташа зарядтау уақыты азаяды, яғни зарядтау уақытының ұлғаюы разряд тереңдігіне пропорционал емес.
2) Разряд тереңдігінің артуымен тұрақты токтың зарядтау уақытының жалпы зарядтау уақытына үлесі артады, ал тұрақты токтың зарядтау сыйымдылығының қажетті зарядтау сыйымдылығына үлесі артады. Шындығында бұл сипаттамалар негізінен екі факторға байланысты: біріншіден, разрядтың тереңдігі батареяны толық зарядтау үшін ұзағырақ уақытты қажет етеді; екіншіден, разрядтың тереңірек тереңдігі төменгі кернеу диапазонына сәйкес келеді, нәтижесінде бірдей ток және зарядтау уақыты жағдайында батареяға аз энергия зарядталады.
(3) Температураның зарядтау сипаттамаларына әсері Литий{1}}иондық батареялар әртүрлі қоршаған орта температураларында зарядталды. Мысал ретінде 66,2 A·h NCM литий{4}}ионды батареясын алып, тұрақты ток пен кернеуді шектеу әдісі қолданылды. Зарядтау параметрлері 3-3-кестеде көрсетілгендей зарядтау тогы шегі 1,3 А және 3,3 А болғанда жазылды. Бірдей разряд тогы кезінде аккумулятор кернеуі 3-13-суретте көрсетілгендей күрт төмендейді. Дегенмен, кернеу салыстырмалы түрде жоғары болып қалатындықтан, разряд энергиясы әлі де жоғары. Зарядталудың бастапқы кезеңінде батареяның ішкі кедергісі тұтынатын энергия батареяның температурасын жоғарылатады, литий-ионды батареяның белсенді материалдарының белсенділігін арттырады және батарея кернеуін арттырады, осылайша босатылуы мүмкін энергияны арттырады. Зарядтаудың ортаңғы және кейінгі кезеңдерінде аккумулятордың кернеуі төмендейді, ал уақыт бірлігінде бөлінетін энергия сәйкесінше азаяды.
Бірдей температурада және бірдей разрядты тоқтату кернеуінде разрядты тоқтатудың әртүрлі токтары қуаттылық пен босатылған энергиядағы айырмашылықтарға әкеледі. Әдетте, қалыпты температура жағдайында ток неғұрлым аз болса, соғұрлым қуаттылық пен энергия бөлінеді. Жоғарыда айтылған разрядтық тәжірибедегідей, 0,2С 1С-қа қарағанда 3,2%-ға артық сыйымдылық пен энергияны бөледі.
