Kuidas lugeda aku tühjenemiskõverat

Kuidas lugeda aku tühjenemiskõverat

Patareid on keerulised elektrokeemilised ja termodünaamilised süsteemid ning nende jõudlust mõjutavad mitmed tegurid. Muidugi on aku keemia kõige olulisem tegur. Kuid selleks, et mõista, millist tüüpi aku on konkreetse rakenduse jaoks kõige sobivam, tuleb arvestada ka selliste teguritega nagu laadimise tühjenemise kiirus, töötemperatuur, säilitustingimused ja füüsilise struktuuri üksikasjad. Esiteks tuleb määratleda mitu terminit:

★ Lahtise vooluahela pinge (Voc) on pinge aku klemmide vahel, kui akul puudub koormus.

★ Klemmpinge (Vt) on pinge aku klemmide vahel, kui akule rakendatakse koormust; Tavaliselt madalam kui Voc.

Lõikepinge (Vco) on pinge, mille juures aku tühjeneb, nagu on ette nähtud. Kuigi akut on tavaliselt alles, võib töötamine pingel alla Vco akut kahjustada.

★ Mahutavus mõõdab ampritundide koguarvu (AH), mida aku suudab täielikult laetuna anda, kuni Vt saavutab Vco.

Laadimise tühjenemise kiirus (C-määr) on kiirus, millega aku laaditakse või tühjeneb, võrreldes selle nimivõimsusega. Näiteks 1C laadib või tühjendab aku täielikult 1 tunni jooksul. Tühjenemiskiirusel 0,5C tühjeneb aku täielikult 2 tunni jooksul. Suurema C-kiiruse kasutamine vähendab tavaliselt saadaolevat aku mahtu ja võib akut kahjustada.

★ Aku laadimise olek (SoC) kvantifitseerib aku järelejäänud mahtuvuse protsendina maksimaalsest võimsusest. Kui SoC jõuab nulli ja Vt saavutab Vco, võib akus olla veel akut, kuid ilma akut kahjustamata ja tulevast mahtuvust mõjutamata ei saa akut enam tühjendada.

★ Tühjenemise sügavus (DoD) on SoC täiendus, mis mõõdab tühjenenud aku mahtuvuse protsenti; DoD=100- SoC.

① Tsükli eluiga on saadaolevate tsüklite arv enne aku kasutusaja lõppu.

Aku kasutusaja lõpp (EoL) viitab aku suutmatusele töötada vastavalt etteantud minimaalsetele spetsifikatsioonidele. EoL-i saab kvantifitseerida mitmel viisil:

① Võimsuse vähenemine põhineb aku võimsuse vähenemise protsendil võrreldes nimimahutavusega teatud tingimustel.

② Võimsuse nõrgenemine põhineb aku maksimaalsel võimsusel teatud protsendi juures võrreldes nimivõimsusega kindlaksmääratud tingimustes.

③ Energia läbilaskevõime kvantifitseerib energia koguhulka, mida aku eeldatavasti oma eluea jooksul töötleb, näiteks 30 MWh, lähtudes konkreetsetest töötingimustest.

★ Aku tervislik seisund (SoH) mõõdab enne EoL-i jõudmist järelejäänud kasuliku eluea protsenti.

Polarisatsioonikõver

Aku tühjenemise kõver moodustatakse aku tühjenemise käigus tekkiva polarisatsiooniefekti põhjal. Energia hulk, mida aku suudab pakkuda erinevates töötingimustes, nagu C-määr ja töötemperatuur, on tihedalt seotud tühjenemiskõvera all oleva pindalaga. Tühjenemise käigus aku Vt väheneb. Vt vähenemine on seotud mitme peamise teguriga:

✔ IR langus – aku sisemist takistust läbivast voolust põhjustatud aku pinge langus. See tegur suureneb lineaarselt suhteliselt suure tühjenduskiiruse korral püsiva temperatuuri juures.

✔ Aktiveerimispolarisatsioon – viitab erinevatele aeglustusteguritele, mis on seotud elektrokeemiliste reaktsioonide kineetikaga, näiteks tööfunktsiooniga, mille ioonid peavad ületama elektroodide ja elektrolüütide vahelisel ristmikul.

✔ Kontsentratsiooni polarisatsioon – see tegur võtab arvesse ioonide takistust massiülekande (difusiooni) ajal ühelt elektroodilt teisele. See tegur domineerib, kui liitiumioonakud on täielikult tühjenenud ja kõvera kalle muutub väga järsuks.

Aku polarisatsioonikõver (tühjenemiskõver) näitab IR vähenemise, aktiveerimise polarisatsiooni ja kontsentratsiooni polarisatsiooni kumulatiivset mõju Vt-le (aku potentsiaal). (Pilt: BioLogic)

Tühjenduskõvera kaalutlused

Akud on loodud paljude rakenduste jaoks ja neil on erinevad jõudlusnäitajad. Näiteks on olemas vähemalt kuus põhilist liitiumioonide keemilist süsteemi, millest igaühel on oma unikaalne funktsioonide komplekt. Tühjenduskõver joonistatakse tavaliselt Vt-ga Y-teljel, SoC (või DoD) aga X-teljel. Aku jõudluse ja erinevate parameetrite (nt C-kiirus ja töötemperatuur) vahelise seose tõttu on igal aku keemilisel süsteemil tühjenemiskõverate jada, mis põhineb konkreetsetel tööparameetrite kombinatsioonidel. Näiteks järgmisel joonisel võrreldakse kahe tavalise liitiumioonkeemiasüsteemi ja pliiakude tühjenemist toatemperatuuril ja 0,2C tühjenemiskiirusel. Tühjenduskõvera kuju on disainerite jaoks väga oluline.

Lame tühjenduskõver võib teatud rakendusi lihtsustada, kuna aku pinge püsib kogu tühjendustsükli vältel suhteliselt stabiilsena. Teisest küljest võib kaldekõver lihtsustada jääklaengu hindamist, kuna aku pinge on tihedalt seotud aku jääklaenguga. Lamedate tühjenemiskõveratega liitiumioonakude puhul nõuab jääklaengu hindamine aga keerukamaid meetodeid, näiteks Coulombi loendust, mis mõõdab aku tühjenemisvoolu ja integreerib voolu aja jooksul jääklaengu hindamiseks.

Lisaks väheneb allapoole kalduvate tühjenduskõveratega akude võimsus kogu tühjendustsükli jooksul. Suure võimsusega rakenduste toetamiseks tühjenemistsükli lõpus võib vaja minna "liigse suurusega" akut. Tavaliselt on tundlike seadmete ja järsu tühjenemiskõveraga akusid kasutavate süsteemide toiteks vaja kasutada võimenduspinge regulaatorit.

Järgnevalt on toodud liitiumioonaku tühjenemiskõver, mis näitab, et kui aku tühjeneb väga suure kiirusega (või vastupidi, madala kiirusega), siis efektiivne võimsus väheneb (või suureneb). Seda nimetatakse mahtuvuse nihkeks ja see efekt on levinud enamikes akukeemiasüsteemides.

Liitium-ioonakude pinge ja mahtuvus vähenevad koos C-kiiruse suurenemisega. (Pilt: Richtek)

Töötemperatuur on oluline parameeter, mis mõjutab aku jõudlust. Väga madalatel temperatuuridel võivad veepõhiste elektrolüütidega akud külmuda, piirates nende töötemperatuuri vahemiku alumist piiri. Liitiumioonakud võivad madalatel temperatuuridel kogeda negatiivset liitiumi elektroodide sadestumist, mis vähendab püsivalt võimsust. Kõrgel temperatuuril võivad kemikaalid laguneda ja aku võib lakata töötamast. Külmumise ja keemiliste kahjustuste vahel varieerub aku jõudlus tavaliselt temperatuurimuutustega oluliselt.

Järgmine joonis näitab erinevate temperatuuride mõju liitium-ioonakude jõudlusele. Väga madalatel temperatuuridel võib jõudlus oluliselt väheneda. Aku tühjenemise kõver on aga ainult üks aku jõudluse aspekt. Näiteks mida suurem on kõrvalekalle liitiumioonakude töötemperatuuri ja toatemperatuuri vahel (kas kõrgel või madalal temperatuuril), seda lühem on tsükli eluiga. Konkreetsete rakenduste puhul ei kuulu selle artikli aku tühjenemise kõvera ulatusse kõigi tegurite täielik analüüs, mis mõjutavad erinevate akukemikaalide süsteemide rakendatavust. Teiste erinevate patareide jõudluse analüüsimise meetodite näide on Lagone'i graafik.

Aku pinge ja mahutavus sõltuvad temperatuurist. (Pilt: Richtek)

Lagooni krundid

Laguuni diagramm võrdleb erinevate energiasalvestustehnoloogiate erivõimsust ja erienergiat. Näiteks elektrisõidukite akude puhul on erienergia seotud sõiduulatusega, samas kui erivõimsus vastab kiirenduse jõudlusele.

Ragone'i diagramm, mis võrdleb erinevate tehnoloogiate erienergia ja erivõimsuse vahelist seost. (Pilt: Researchgate)

Laguuni diagramm põhineb massi energiatihedusel ja võimsustihedusel ning ei sisalda ruumalaparameetritega seotud teavet. Kuigi metallurg David V. Lagone töötas need graafikud välja erinevate akude keemiliste omaduste võrdlemiseks, sobib Lagone'i diagramm ka mis tahes energiasalvestite ja energiaseadmete komplektide, näiteks mootorite, gaasiturbiinide ja kütuseelementide võrdlemiseks.

Suhe erienergia Y-teljel ja erivõimsuse vahel X-teljel on tundide arv, mille jooksul seade töötab nimivõimsusel. Seadme suurus seda suhet ei mõjuta, kuna suurematel seadmetel on proportsionaalselt suurem võimsus ja energiamaht. Laguuni diagrammil konstantset tööaega tähistav isokroonne kõver on sirgjoon.

Kokkuvõte

Oluline on mõista aku tühjenemiskõverat ja erinevaid parameetreid, mis moodustavad konkreetse aku keemiaga seotud tühjenemiskõvera perekonna. Komplekssete elektrokeemiliste ja termodünaamiliste süsteemide tõttu on ka akude tühjenemiskõverad keerulised, kuid need on vaid viis mõista erinevate akude keemia ja struktuuride vahelisi jõudluse kompromisse.