Liitiumaku laadimise ja tühjenemise teooria

Liitiumaku laadimise ja tühjenemise teooria

1.1 Laadimisolek (SOC)

Laadimisolekut saab määratleda kui akus saadaoleva elektrienergia olekut, mida tavaliselt väljendatakse protsentides. Kuna saadaolev elektrienergia varieerub olenevalt laadimis- ja tühjenemisvoolust, temperatuurist ja vananemisnähtustest, jaguneb laadimisoleku määratlus ka kahte tüüpi: absoluutne laetuse olek (ASOC) ja suhteline laadimisolek (RSOC). Suhtelise laetuse vahemik on tavaliselt 0% -100%, samal ajal kui aku on 100% täielikult laetud ja 0%, kui see on täielikult tühjenenud. Absoluutne laetuse olek on võrdlusväärtus, mis arvutatakse aku valmistamisel kavandatud fikseeritud mahutavuse väärtuse põhjal. Uhiuue täislaetud aku absoluutne laetuse tase on 100%; Isegi kui vananev aku on täielikult laetud, ei saa see erinevatel laadimis- ja tühjenemistingimustel 100%-ni jõuda.

Järgmisel joonisel on näidatud pinge ja aku mahutavuse suhe erinevate tühjenemissageduste korral. Mida kõrgem on tühjenemise määr, seda väiksem on aku mahutavus. Kui temperatuur on madal, väheneb ka aku mahtuvus.

                          Joonis 1. Pinge ja võimsuse seos erinevatel tühjenemiskiirustel ja temperatuuridel

1.2 Maksimaalne laadimispinge

Kõrgeim laadimispinge on seotud aku keemilise koostise ja omadustega. Liitiumakude laadimispinge on tavaliselt 4,2 V ja 4,35 V ning pinge väärtused võivad olenevalt katoodi ja anoodi materjalidest erineda.

1.3 Täielikult laetud

Kui aku pinge ja kõrgeima laadimispinge vahe on alla 100mV ja laadimisvool väheneb C/10-ni, võib aku lugeda täislaetuks. Akude omadused on erinevad ja erinevad ka täieliku laadimise tingimused.

Järgmisel joonisel on kujutatud tüüpiline liitiumaku laadimise tunnuskõver. Kui aku pinge on võrdne kõrgeima laadimispingega ja laadimisvool väheneb C/10-ni, loetakse aku täielikult laetuks.

                             Joonis 2. Liitiumaku laadimise tunnuskõver

1.4 Minimaalne tühjenduspinge

Minimaalset tühjenemispinget saab defineerida kui väljalülitatud tühjenduspinget, tavaliselt pinget 0% laadimisolekul. See pinge väärtus ei ole fikseeritud väärtus, vaid muutub koormuse, temperatuuri, vananemisastme või muude tegurite mõjul.

1.5 Täielik tühjendamine

Kui aku pinge on väiksem või võrdne minimaalse tühjenemise pingega, võib seda nimetada täielikuks tühjenemiseks.

1.6 Laadimise tühjenemise kiirus (C-Rate)

Laadimise tühjenemise määr on laengu tühjenemisvoolu esitus aku mahutavuse suhtes. Näiteks kui 1C kasutatakse tühjendamiseks ühe tunni jooksul, siis ideaaljuhul tühjeneb aku täielikult. Erinevad laadimis- ja tühjenduskiirused toovad kaasa erineva saadaoleva võimsuse. Tavaliselt, mida kõrgem on laadimise tühjenemise kiirus, seda väiksem on saadaolev võimsus.

1.7 Tsükli eluiga

Tsüklite arv on aku täieliku laadimise ja tühjendamise kordade arv, mida saab hinnata tegeliku tühjenemisvõimsuse ja projekteeritud võimsuse põhjal. Kui akumuleeritud tühjendusvõimsus võrdub kavandatud võimsusega, on tsüklite arv üks. Tavaliselt väheneb täislaetud aku võimsus pärast 500 laadimis- ja tühjendustsüklit 10% kuni 20%.

                          Joonis 3. Tsükliaegade ja aku mahutavuse seos

1.8 Isetühjenemine

Kõigi akude isetühjenemine suureneb temperatuuri tõustes. Isetühjenemine ei ole põhimõtteliselt tootmisviga, vaid pigem aku enda omadus. Vale käsitsemine tootmisprotsessi ajal võib aga kaasa tuua ka isetühjenemise suurenemise. Tavaliselt kahekordistub isetühjenemise kiirus iga 10 °C aku temperatuuri tõusu korral. Liitiumioonakude igakuine isetühjenemisvõime on ligikaudu 1-2%, samas kui erinevate niklipõhiste akude isetühjenemisvõime on kuus 10-15%.

                             Joonis 4. Liitiumakude isetühjenemise kiiruse toimimine erinevatel temperatuuridel