تئوری شارژ و دشارژ باتری لیتیومی

تئوری شارژ و دشارژ باتری لیتیومی

1.1 وضعیت شارژ (SOC)

حالت شارژ را می توان به عنوان وضعیت انرژی الکتریکی موجود در باتری تعریف کرد که معمولاً به صورت درصد بیان می شود. از آنجایی که انرژی الکتریکی موجود بسته به جریان شارژ و تخلیه، دما و پدیده پیری متفاوت است، تعریف حالت شارژ نیز به دو نوع تقسیم می‌شود: حالت شارژ مطلق (ASOC) و حالت نسبی شارژ (RSOC). محدوده حالت نسبی شارژ معمولاً 0٪ -100٪ است، در حالی که باتری در هنگام شارژ کامل 100٪ و در صورت تخلیه کامل 0٪ است. حالت مطلق شارژ یک مقدار مرجع است که بر اساس مقدار ظرفیت ثابت طراحی شده در هنگام تولید باتری محاسبه می شود. وضعیت مطلق شارژ یک باتری کاملاً جدید کاملاً شارژ شده 100٪ است. حتی اگر باتری قدیمی کاملاً شارژ شود، در شرایط مختلف شارژ و دشارژ نمی تواند به 100٪ برسد.

شکل زیر رابطه بین ولتاژ و ظرفیت باتری را در نرخ های دشارژ مختلف نشان می دهد. هر چه میزان دشارژ بیشتر باشد ظرفیت باتری کمتر است. هنگامی که دما پایین است، ظرفیت باتری نیز کاهش می یابد.

                          شکل 1. رابطه بین ولتاژ و ظرفیت تحت نرخ های دشارژ و دماهای مختلف

1.2 حداکثر ولتاژ شارژ

بالاترین ولتاژ شارژ مربوط به ترکیب شیمیایی و ویژگی های باتری است. ولتاژ شارژ باتری های لیتیومی معمولاً 4.2 ولت و 4.35 ولت است و مقادیر ولتاژ ممکن است بسته به مواد کاتد و آند متفاوت باشد.

1.3 کاملا شارژ

زمانی که اختلاف بین ولتاژ باتری و بالاترین ولتاژ شارژ کمتر از 100 میلی ولت باشد و جریان شارژ به C/10 کاهش یابد، می توان باتری را کاملاً شارژ در نظر گرفت. ویژگی های باتری ها متفاوت است و شرایط برای شارژ کامل نیز متفاوت است.

شکل زیر یک منحنی مشخصه شارژ باتری لیتیومی را نشان می دهد. هنگامی که ولتاژ باتری با بالاترین ولتاژ شارژ برابر است و جریان شارژ به C/10 کاهش می یابد، باتری کاملا شارژ شده در نظر گرفته می شود.

                             شکل 2. منحنی مشخصه شارژ باتری لیتیومی

1.4 حداقل ولتاژ تخلیه

حداقل ولتاژ تخلیه را می توان به عنوان ولتاژ تخلیه قطع، معمولاً ولتاژ در حالت شارژ 0٪ تعریف کرد. این مقدار ولتاژ یک مقدار ثابت نیست، بلکه با بار، دما، درجه پیری یا عوامل دیگر تغییر می کند.

1.5 تخلیه کامل

هنگامی که ولتاژ باتری کمتر یا مساوی با حداقل ولتاژ تخلیه باشد، می توان آن را تخلیه کامل نامید.

1.6 نرخ تخلیه شارژ (C-Rate)

نرخ تخلیه شارژ نمایشی از جریان تخلیه شارژ نسبت به ظرفیت باتری است. به عنوان مثال، اگر 1C برای تخلیه به مدت یک ساعت استفاده شود، در حالت ایده آل، باتری کاملاً تخلیه می شود. نرخ های مختلف شارژ و دشارژ باعث ایجاد ظرفیت های مختلف در دسترس خواهد شد. معمولاً هرچه نرخ تخلیه شارژ بیشتر باشد ظرفیت موجود کمتر می شود.

1.7 چرخه عمر

تعداد چرخه ها تعداد دفعاتی است که یک باتری تحت شارژ و دشارژ کامل قرار گرفته است که می توان از ظرفیت تخلیه واقعی و ظرفیت طراحی تخمین زد. هر گاه ظرفیت تخلیه انباشته با ظرفیت طراحی برابر شود، تعداد سیکل ها یک سیکل است. معمولاً پس از 500 چرخه شارژ و دشارژ، ظرفیت یک باتری کاملاً شارژ شده بین 10 تا 20 درصد کاهش می یابد.

                          شکل 3. رابطه بین زمان چرخه و ظرفیت باتری

1.8 خود تخلیه

با افزایش دما، خود تخلیه تمام باتری ها افزایش می یابد. تخلیه خودکار اساساً یک نقص تولید نیست، بلکه مشخصه خود باتری است. با این حال، جابجایی نامناسب در طول فرآیند تولید نیز می‌تواند منجر به افزایش تخلیه خود شود. معمولاً به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دمای باتری، میزان خود تخلیه دو برابر می شود. باتری های لیتیوم یونی دارای ظرفیت تخلیه ماهانه تقریباً 1-2٪ هستند در حالی که باتری های مختلف مبتنی بر نیکل دارای ظرفیت خود تخلیه ماهیانه 10-15٪ هستند.

                             شکل 4. عملکرد نرخ خود تخلیه باتری های لیتیومی در دماهای مختلف