نحوه خواندن منحنی تخلیه باتری

نحوه خواندن منحنی تخلیه باتری

باتری ها سیستم های الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی پیچیده ای هستند و عوامل متعددی بر عملکرد آنها تأثیر می گذارد. البته شیمی باتری مهمترین عامل است. با این حال، هنگام درک اینکه کدام نوع باتری برای یک کاربرد خاص مناسب‌تر است، باید عواملی مانند نرخ تخلیه شارژ، دمای کار، شرایط ذخیره‌سازی و جزئیات ساختار فیزیکی را نیز در نظر گرفت. ابتدا باید چند اصطلاح تعریف شود:

★ ولتاژ مدار باز (Voc) ولتاژ بین پایانه های باتری زمانی است که بار روی باتری وجود ندارد.

★ ولتاژ ترمینال (Vt) ولتاژ بین پایانه های باتری است که بار به باتری اعمال می شود. معمولا کمتر از Voc.

ولتاژ قطع (Vco) ولتاژی است که باتری در آن به طور کامل تخلیه می شود، همانطور که مشخص شده است. اگرچه معمولاً باتری باقی می ماند، اما کار با ولتاژ کمتر از Vco ممکن است به باتری آسیب برساند.

★ ظرفیت کل آمپر ساعت (AH) را اندازه می‌گیرد که باتری می‌تواند در هنگام شارژ کامل فراهم کند، تا زمانی که Vt به Vco برسد.

نرخ تخلیه شارژ (C-Rate) میزان شارژ یا دشارژ باتری نسبت به ظرفیت نامی آن است. به عنوان مثال، نرخ 1C باتری را در عرض 1 ساعت به طور کامل شارژ یا تخلیه می کند. با سرعت دشارژ 0.5 درجه سانتیگراد، باتری ظرف 2 ساعت به طور کامل تخلیه می شود. استفاده از C-Rate بالاتر معمولاً ظرفیت باتری موجود را کاهش می دهد و ممکن است به باتری آسیب برساند.

★ وضعیت شارژ باتری (SoC) ظرفیت باتری باقیمانده را به عنوان درصدی از حداکثر ظرفیت تعیین می کند. وقتی SoC به صفر می رسد و Vt به Vco می رسد، ممکن است هنوز انرژی باتری در باتری باقی بماند، اما بدون آسیب رساندن به باتری و تأثیر بر ظرفیت آینده، باتری نمی تواند بیشتر تخلیه شود.

★ عمق تخلیه (DoD) مکمل SoC است که درصد ظرفیت باتری تخلیه شده را اندازه می‌گیرد. DoD=100- SoC.

① عمر چرخه تعداد چرخه های موجود قبل از اینکه باتری به پایان عمر خود برسد، می باشد.

پایان عمر باتری (EoL) به عدم توانایی باتری در کار با حداقل مشخصات از پیش تعیین شده اشاره دارد. EoL را می توان به روش های مختلفی اندازه گیری کرد:

① کاهش ظرفیت بر اساس درصد کاهش ظرفیت باتری در مقایسه با ظرفیت نامی در شرایط مشخص است.

② تضعیف توان بر اساس حداکثر توان باتری در یک درصد معین در مقایسه با توان نامی در شرایط مشخص است.

③ توان عملیاتی انرژی مقدار کل انرژی را که انتظار می رود باتری در طول عمر خود پردازش کند، مانند 30 مگاوات ساعت، بر اساس شرایط عملیاتی خاص، کمیت می کند.

★ وضعیت سلامت (SoH) باتری درصد عمر مفید باقی مانده قبل از رسیدن به EoL را اندازه گیری می کند.

منحنی پلاریزاسیون

منحنی تخلیه باتری بر اساس اثر پلاریزاسیون باتری که در طول فرآیند تخلیه رخ می دهد، تشکیل می شود. مقدار انرژی که یک باتری می تواند تحت شرایط کاری مختلف، مانند نرخ C و دمای کار، فراهم کند، ارتباط نزدیکی با ناحیه زیر منحنی دشارژ دارد. در طول فرآیند تخلیه، Vt باتری کاهش می یابد. کاهش Vt به چند عامل اصلی مرتبط است:

✔ افت IR - کاهش ولتاژ باتری ناشی از عبور جریان از مقاومت داخلی باتری. این ضریب به صورت خطی در نرخ تخلیه نسبتاً بالا، با دمای ثابت افزایش می یابد.

✔ پلاریزاسیون فعال سازی - به عوامل کاهش سرعت مختلف مربوط به سینتیک واکنش های الکتروشیمیایی اشاره دارد، مانند عملکرد کاری که یون ها باید در محل اتصال بین الکترودها و الکترولیت ها بر آن غلبه کنند.

✔ پلاریزاسیون غلظت - این عامل مقاومتی را که یونها در هنگام انتقال جرم (انتشار) از یک الکترود به الکترود دیگر با آن مواجه می شوند، در نظر می گیرد. این عامل زمانی غالب می شود که باتری های لیتیوم یون به طور کامل تخلیه می شوند و شیب منحنی بسیار تند می شود.

منحنی پلاریزاسیون (منحنی تخلیه) باتری اثرات تجمعی کاهش IR، قطبش فعال سازی و قطبش غلظت را بر روی Vt (پتانسیل باتری) نشان می دهد. (تصویر: BioLogic)

ملاحظات منحنی تخلیه

باتری ها برای طیف وسیعی از کاربردها طراحی شده اند و ویژگی های عملکردی مختلفی را ارائه می دهند. به عنوان مثال، حداقل شش سیستم شیمیایی یون لیتیوم وجود دارد که هر کدام مجموعه ویژگی های منحصر به فرد خود را دارند. منحنی تخلیه معمولا با Vt در محور Y رسم می شود، در حالی که SoC (یا DoD) روی محور X رسم می شود. با توجه به همبستگی بین عملکرد باتری و پارامترهای مختلف مانند نرخ C و دمای کار، هر سیستم شیمیایی باتری دارای یک سری منحنی تخلیه بر اساس ترکیبات پارامترهای عملیاتی خاص است. به عنوان مثال، شکل زیر عملکرد تخلیه دو سیستم شیمیایی لیتیوم-یون رایج و باتری های سرب اسیدی را در دمای اتاق و سرعت تخلیه 0.2 درجه سانتیگراد مقایسه می کند. شکل منحنی دبی برای طراحان اهمیت زیادی دارد.

منحنی دشارژ مسطح می‌تواند طرح‌های کاربردی خاصی را ساده‌تر کند، زیرا ولتاژ باتری در کل چرخه تخلیه نسبتاً ثابت می‌ماند. از سوی دیگر، منحنی شیب می تواند تخمین شارژ باقیمانده را ساده کند، زیرا ولتاژ باتری ارتباط نزدیکی با شارژ باقی مانده در باتری دارد. با این حال، برای باتری‌های لیتیوم یونی با منحنی دشارژ مسطح، تخمین شارژ باقیمانده به روش‌های پیچیده‌تری مانند شمارش کولن نیاز دارد که جریان تخلیه باتری را اندازه‌گیری می‌کند و جریان را در طول زمان برای تخمین شارژ باقی‌مانده یکپارچه می‌کند.

علاوه بر این، باتری هایی با منحنی دشارژ شیب دار رو به پایین، کاهش قدرت را در کل چرخه دشارژ تجربه می کنند. ممکن است برای پشتیبانی از برنامه های پرقدرت در پایان چرخه تخلیه، به یک باتری «اندازه اضافی» نیاز باشد. معمولاً برای تأمین انرژی دستگاه‌ها و سیستم‌های حساس با استفاده از باتری‌هایی با منحنی دشارژ تند، استفاده از تنظیم‌کننده ولتاژ تقویتی ضروری است.

در زیر منحنی دشارژ باتری لیتیوم یونی نشان داده شده است که نشان می دهد اگر باتری با سرعت بسیار بالا (یا برعکس، با نرخ پایین) دشارژ شود، ظرفیت موثر کاهش (یا افزایش) پیدا می کند. این تغییر ظرفیت نامیده می شود و این اثر در اکثر سیستم های شیمیایی باتری رایج است.

ولتاژ و ظرفیت باتری های لیتیوم یونی با افزایش نرخ C کاهش می یابد. (تصویر: Richtek)

دمای کار یک پارامتر مهم است که بر عملکرد باتری تأثیر می گذارد. در دماهای بسیار پایین، باتری‌های دارای الکترولیت‌های مبتنی بر آب ممکن است یخ بزنند، که محدودیت پایین‌تر محدوده دمای کارکرد آنها را محدود می‌کند. باتری های لیتیوم یونی می توانند رسوب لیتیوم الکترود منفی را در دماهای پایین تجربه کنند و به طور دائم ظرفیت را کاهش دهند. در دماهای بالا، ممکن است مواد شیمیایی تجزیه شده و باتری از کار بیفتد. بین یخ زدگی و آسیب های شیمیایی، عملکرد باتری به طور قابل توجهی با تغییرات دما متفاوت است.

شکل زیر تاثیر دماهای مختلف بر عملکرد باتری های لیتیوم یونی را نشان می دهد. در دماهای بسیار پایین، عملکرد ممکن است به طور قابل توجهی کاهش یابد. با این حال، منحنی تخلیه باتری تنها یک جنبه از عملکرد باتری است. برای مثال، هر چه انحراف بین دمای کارکرد باتری‌های لیتیوم یونی و دمای اتاق (چه در دماهای بالا یا پایین) بیشتر باشد، عمر چرخه کمتر می‌شود. برای کاربردهای خاص، تجزیه و تحلیل کامل همه عوامل مؤثر بر کاربرد سیستم‌های شیمیایی مختلف باتری خارج از محدوده منحنی تخلیه باتری این مقاله است. نمونه ای از روش های دیگر برای تجزیه و تحلیل عملکرد باتری های مختلف، نمودار لاگون است.

ولتاژ و ظرفیت باتری به دما بستگی دارد. (تصویر: Richtek)

قطعه های لاگون

نمودار Lagoon توان ویژه و انرژی ویژه فن آوری های مختلف ذخیره انرژی را مقایسه می کند. به عنوان مثال، هنگام در نظر گرفتن باتری خودروهای الکتریکی، انرژی خاص به برد مربوط می شود، در حالی که توان ویژه مربوط به عملکرد شتاب است.

یک نمودار راگون که رابطه بین انرژی ویژه و توان ویژه فناوری های مختلف را مقایسه می کند. (تصویر: Researchgate)

نمودار تالاب بر اساس چگالی انرژی جرمی و چگالی توان است و هیچ اطلاعات مربوط به پارامترهای حجمی را شامل نمی شود. اگرچه متالورژیست دیوید وی لاگون این نمودارها را برای مقایسه عملکرد شیمی باتری های مختلف ایجاد کرد، نمودار لاگون برای مقایسه هر مجموعه ای از وسایل ذخیره انرژی و انرژی مانند موتورها، توربین های گاز و سلول های سوختی نیز مناسب است.

نسبت بین انرژی ویژه در محور Y و توان ویژه در محور X تعداد ساعاتی است که دستگاه با توان نامی کار می کند. اندازه دستگاه بر این رابطه تأثیر نمی گذارد، زیرا دستگاه های بزرگتر به نسبت توان و ظرفیت انرژی بالاتری خواهند داشت. منحنی هم زمان نشان دهنده زمان عملیات ثابت در نمودار تالاب یک خط مستقیم است.

خلاصه

درک منحنی دشارژ باتری و پارامترهای مختلفی که خانواده منحنی دشارژ مربوط به شیمی خاص باتری را تشکیل می‌دهند، مهم است. با توجه به سیستم‌های پیچیده الکتروشیمیایی و ترمودینامیکی، منحنی‌های تخلیه باتری‌ها نیز پیچیده هستند، اما آنها تنها راهی برای درک مبادلات عملکرد بین شیمی باتری‌ها و ساختارهای مختلف هستند.