Какви са характеристиките на зареждане и разреждане?
Заредете иосвобождаване от отговорностхарактеристики
Литиево-йонните батерии обикновено използват дву-етапен метод на зареждане, за да осигурят безопасност, надеждност и ефективност на зареждане. Първият етап е постоянен ток с ограничение на напрежението, а вторият етап е постоянен ток с ограничение на тока. Максималното ограничение на напрежението за зареждане на литиево-йонна батерия варира в зависимост от материала на катода. Основните криви на напрежението на зареждане/разреждане на литиево-йонна батерия са показани на Фигура 3-11. Кривите на фигурата използват ток на зареждане/разреждане от C/3. За различните литиево-йонни батерии основните разлики са две:
1) Оптималната постоянна стойност на тока за първия етап варира в зависимост от материала на катода на батерията и производствения процес. Обикновено се използва обхват на тока от 0,2C до 0,3C. В случаи на бърза консумация на енергия могат да се използват 1C, 2C или дори по-високи скорости.
2) Различните литиево--йонни батерии показват значителни разлики в продължителността на постоянен ток и делът на капацитета, който може да бъде зареден с постоянен ток спрямо общия капацитет, също варира значително. От гледна точка на практически приложения за електрически превозни средства, по-дългата продължителност на постоянния ток води до по-кратко общо време за зареждане, което е по-полезно за приложенията.
Напрежението на литиево-йонната батерия е стабилно и намалява бавно в ранните и средните етапи на разреждане, но спада бързо в по-късните етапи, както е показано в сегмент DE на фигура 3-11. Ефективният контрол е от решаващо значение по време на този етап, за да се предотврати прекомерно разреждане и необратимо увреждане на батерията.
Фактори, влияещи върху характеристиките на зареждане
(1) Ефект назаряден токотносно характеристиките на зареждане Като вземем за пример определена литиево-йонна батерия NCM с номинален капацитет от 242A·h, при условията на SOC=0% и постоянна температура от 20 градуса, за зареждане са използвани различни скорости на зареждане. Резултатите от параметрите са показани в Таблица 3-1, а кривата на зареждане е показана на Фигура 3-12.
Таблица 3-1 Параметри на зареждане за различни скорости на зареждане
| Ток/A (скорост) | CC-CV①Общо време | Постоянно текущо време/сек | Общ зареден капацитет/A·h | Общо заредена енергия/W·h | Зареден капацитет с постоянен ток/A·h | Постоянно напрежение Заредена енергия/W·h | 170A·hВреме/сек | 170A·hТок/A |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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, постоянен ток; CV, постоянно напрежение.
Както е показано в таблица 3-1, времето за постоянен ток постепенно намалява с увеличаване на тока на зареждане, а капацитетът и енергията, които могат да бъдат заредени при постоянен ток, също постепенно намаляват. Приемайки капацитета за зареждане и разреждане от 1/2 (т.е. SOC=50%) като стандарт, необходимото време за зареждане намалява с увеличаване на тока на зареждане; времето, необходимо за 0.1C е приблизително 5 пъти по-голямо от това за 0.5C. При това условие текущата разлика за продължаващо зареждане е малка, така че времето за зареждане за последните 30 A·h не се различава значително. Следователно, в рамките на допустимия ток на зареждане на батерията, увеличаването на тока на зареждане, въпреки че намалява капацитета и енергията, които могат да бъдат заредени при постоянен ток, помага да се намали общото време за зареждане. При практически приложения на батерийни пакети, максималният допустим ток на зареждане на литиево-йонната батерия може да се използва за зареждане и след достигане на границата на напрежението може да се извърши зареждане с постоянно напрежение. Това намалява времето за зареждане, като същевременно гарантира безопасността на зареждането. Увеличаването на тока на зареждане обаче също ще доведе до увеличаване на загубата на енергия поради вътрешното съпротивление на батерията. Консумираната енергия във вътрешното съпротивление се изчислява съгласно уравнение (3-4).
Където E е енергията, консумирана от вътрешното съпротивление;
r е вътрешното съпротивление на батерията;
t е променливата на времето за зареждане;
I е токът на зареждане;
t₁ и t₂ са началните и крайните часове на зареждане.
Обширни тестове показаха, че вътрешното съпротивление на литиево-йонните батерии се променя в рамките на 0,4 mΩ по време на зареждане. Следователно, уравнение (3-4) показва, че консумацията на енергия поради вътрешното съпротивление на батерията е по същество линейно свързана с времето за зареждане, но квадратично свързана със зарядния ток. По време на етапа на зареждане с постоянен ток, големината на тока на зареждане е основният фактор, влияещ върху енергийната консумация на вътрешно съпротивление; по-високият ток на зареждане води до по-голяма консумация на енергия. По време на стадий на постоянно напрежение, нисък ток, времето за зареждане става основният фактор, влияещ върху консумацията на енергия на вътрешното съпротивление; по-дълго време за зареждане води до по-голяма консумация на енергия. Като се има предвид целият процес на зареждане, тъй като токът на зареждане има квадратична връзка с потреблението на енергия от вътрешното съпротивление и е основният фактор, който го влияе, по-високият ток на зареждане води до по-голямо потребление на енергия от вътрешно съпротивление. При практически приложения на батерии, подходящ заряден ток трябва да бъде избран чрез цялостно отчитане както на времето за зареждане, така и на ефективността.
(2) Ефект на дълбочината на разреждане върху характеристиките на зареждане При постоянна температура от 20 градуса бе проведен тест за разреждане на NCM литиево--йонна батерия с номинален капацитет от 66,2 A·h. Батерията се разрежда при скорост от 0,5C до различни дълбочини на разреждане (DOD) (10%→100%), съответстващо на състояние на зареждане (SOC) от 90%→0%. Данните за напрежение, ток и капацитет бяха записани по време на процеса на разреждане. След почивка в продължение на 60 минути батерията се зарежда със скорост 0,5C (CC). Когато напрежението на прекъсване беше достигнато, режимът на зареждане беше превключен на постоянно напрежение (CV). Когато токът беше по-малък от 0,05C, процесът беше спрян и данните за напрежението, тока и капацитета бяха записани. Съответните данни са показани в таблица 3-2. Кривите на зарядния ток на литиево-йонната батерия при различни условия на дълбочина на разреждане са показани на Фигура 3-13.
Таблица 3-2 Параметри на теста за зареждане при различна дълбочина на разреждане
| SOC | DOD | Освобождаване от отговорност | Зареждане | Еднаква-капацитет заредена енергия①/W·h | Еднакъв-капацитет Разредена енергия②/W·h | Време за зареждане/мин | Постоянно текущо време/мин | Зареден капацитет с постоянен ток/A·h | Среден капацитет на таймера за зареждане③/мин | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Капацитет/A·h | Енергия/W·h | Капацитет/A·h | Енергия/W·h | ||||||||
| 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 Енергия, заредена с равен-капацитет: Енергия, заредена при същата промяна на SOC (напр. 10%). Например: ако капацитетът на зареждане при 90% DOD е 30W·h, заредената енергия с равен-капацитет е 30W·h; ако капацитетът на зареждане при 80% DOD е 50W·h, равен-капацитет на заредена енергия е 25W·h.
② Разредена енергия с еднакъв-капацитет: Разредена енергия при същата промяна на SOC (напр. 10%).
③ Средно време за зареждане на единица капацитет /мин: Време за зареждане / Капацитет на зареждане.
От таблица 3-2 и фигура 3-13 могат да се направят следните заключения:
1) С увеличаване на дълбочината на разреждане, времето за зареждане се увеличава, но средното време за зареждане на единица капацитет намалява, което означава, че увеличаването на времето за зареждане не е пропорционално на дълбочината на разреждане.
2) С увеличаване на дълбочината на разреждане, съотношението на времето за зареждане с постоянен ток към общото време за зареждане се увеличава и съотношението на капацитета на зареждане с постоянен ток спрямо необходимия капацитет за зареждане се увеличава. В действителност тези характеристики се дължат главно на два фактора: първо, по-дълбоката дълбочина на разреждане изисква по-дълго време за пълно зареждане на батерията; второ, по-дълбоката дълбочина на разреждане съответства на по-нисък диапазон на напрежение, което води до по-малко енергия, заредена в батерията при същите условия на ток и време за зареждане.
(3) Влияние на температурата върху характеристиките на зареждане Литиево-йонните батерии се зареждат при различни температури на околната среда. Вземайки 66,2 A·h NCM литиево-йонна батерия като пример, беше използван метод за ограничаване на постоянен ток и напрежение. Параметрите на зареждане бяха записани с ограничение на тока на зареждане от 1,3 A и 3,3 A, както е показано в таблица 3-3. При същия разряден ток напрежението на батерията ще претърпи рязък спад, както е показано на Фигура 3-13. Въпреки това, тъй като напрежението остава относително високо, енергията на разреждане е все още висока. В началния етап на разреждане енергията, консумирана от вътрешното съпротивление на батерията, повишава температурата на батерията, повишава активността на активните материали на литиево-йонната батерия и повишава напрежението на батерията, като по този начин увеличава енергията, която може да бъде освободена. В средните и по-късните етапи на разреждането напрежението на акумулатора намалява и съответно енергията, освободена за единица време, намалява.
При една и съща температура и с едно и също напрежение на завършване на разряд, различните токове на завършване на разреждане ще доведат до разлики в капацитета и освободената енергия. Обикновено, при нормални температурни условия, колкото по-нисък е токът, толкова по-голям е капацитетът и освободената енергия. Както в експеримента с разреждането, споменат по-горе, 0,2C освобождава 3,2% повече капацитет и енергия от 1C.
