Koje su karakteristike punjenja i pražnjenja?

Koje su karakteristike punjenja i pražnjenja?

Naplatiti iiscjedakkarakteristike

Litij-ionske baterije obično koriste dvo{1}}fazni način punjenja kako bi se osigurala sigurnost, pouzdanost i učinkovitost punjenja. Prvi stupanj je konstantna struja s ograničenjem napona, a drugi stupanj je konstantni napon s ograničenjem struje. Ograničenje maksimalnog napona za punjenje litij-ionske baterije ovisi o materijalu katode. Osnovne krivulje napona punjenja/pražnjenja litij-ionske baterije prikazane su na slici 3-11. Krivulje na slici koriste struju punjenja/pražnjenja od C/3. Za različite litij-ionske baterije, glavne razlike su dvije:

1) Optimalna konstantna vrijednost struje za prvi stupanj varira ovisno o materijalu katode baterije i procesu proizvodnje. Općenito se koristi raspon struje od 0,2C do 0,3C. U slučajevima velike potrošnje energije, mogu se koristiti brzine od 1C, 2C ili čak više.

2) Različite litij-ionske baterije pokazuju značajne razlike u trajanju konstantne struje, a udio kapaciteta koji se može napuniti konstantnom strujom u odnosu na ukupni kapacitet također značajno varira. Iz perspektive praktičnih primjena električnih vozila, duže trajanje konstantne struje rezultira kraćim ukupnim vremenom punjenja, što je korisnije za aplikacije.

Napon litij-ionske baterije je stabilan i polako opada u ranoj i srednjoj fazi pražnjenja, ali brzo opada u kasnijim fazama, kao što je prikazano u segmentu DE na slici 3-11. Učinkovita kontrola ključna je tijekom ove faze kako bi se spriječilo prekomjerno pražnjenje i nepovratno oštećenje baterije.

Čimbenici koji utječu na karakteristike punjenja

(1) Učinakstruja punjenjao karakteristikama punjenja Uzimajući određenu NCM litij{0}}ionsku bateriju s nazivnim kapacitetom od 242A·h kao primjer, u uvjetima SOC=0% i konstantne temperature od 20 stupnjeva, različite brzine punjenja korištene su za punjenje. Rezultati parametara prikazani su u tablici 3-1, a krivulja punjenja prikazana je na slici 3-12.

Tablica 3-1 Parametri punjenja za različite brzine punjenja

① CC, konstantna struja; CV, konstantni napon.

Kao što je prikazano u tablici 3-1, vrijeme konstantne struje postupno se smanjuje s povećanjem struje punjenja, a kapacitet i energija koji se mogu puniti pod konstantnom strujom također se postupno smanjuju. Uzimajući kapacitet punjenja i pražnjenja od 1/2 (tj. SOC=50%) kao standard, potrebno vrijeme punjenja smanjuje se s povećanjem struje punjenja; vrijeme potrebno za 0,1C je otprilike 5 puta više nego za 0,5C. Pod ovim uvjetom, trenutna razlika za kontinuirano punjenje je mala, tako da se vrijeme punjenja za zadnjih 30 A·h ne razlikuje značajno. Stoga, unutar dopuštene struje punjenja baterije, povećanje struje punjenja, iako smanjuje kapacitet i energiju koja se može puniti pod konstantnom strujom, pomaže smanjiti ukupno vrijeme punjenja. U praktičnim primjenama paketa baterija, maksimalna dopuštena struja punjenja litij-ionske baterije može se koristiti za punjenje, a nakon dostizanja ograničenja napona može se izvršiti punjenje konstantnim naponom. To skraćuje vrijeme punjenja, a istovremeno osigurava sigurnost punjenja. Međutim, povećanje struje punjenja također će dovesti do povećanja gubitka energije zbog unutarnjeg otpora baterije. Energija potrošena u unutarnjem otporu izračunava se prema jednadžbi (3-4).

Gdje je E energija koju troši unutarnji otpor;

r je unutarnji otpor baterije;

t je varijabla vremena punjenja;

I je struja punjenja;

t₁ i t₂ su vrijeme početka i završetka punjenja.

Opsežna ispitivanja pokazala su da se unutarnji otpor litij-ionskih baterija mijenja unutar 0,4 mΩ tijekom punjenja. Stoga jednadžba (3-4) pokazuje da je potrošnja energije zbog unutarnjeg otpora baterije u osnovi linearno povezana s vremenom punjenja, ali kvadratno povezana sa strujom punjenja. Tijekom faze punjenja konstantnom strujom, veličina struje punjenja primarni je faktor koji utječe na potrošnju energije unutarnjeg otpora; viša struja punjenja rezultira većom potrošnjom energije. Tijekom faze konstantnog napona, niske struje, vrijeme punjenja postaje primarni faktor koji utječe na potrošnju energije unutarnjeg otpora; duže vrijeme punjenja rezultira većom potrošnjom energije. S obzirom na cijeli proces punjenja, budući da struja punjenja ima kvadratni odnos s potrošnjom energije unutarnjeg otpora i glavni je čimbenik koji na nju utječe, veća struja punjenja rezultira većom potrošnjom energije unutarnjeg otpora. U praktičnim primjenama baterija, odgovarajuću struju punjenja treba odabrati sveobuhvatno uzimajući u obzir i vrijeme punjenja i učinkovitost.

(2) Učinak dubine pražnjenja na karakteristike punjenja Pod konstantnom temperaturom od 20 stupnjeva, test pražnjenja je proveden na NCM litij-ionskoj bateriji s nazivnim kapacitetom od 66,2 A·h. Baterija je pražnjena brzinom od 0,5 C do različitih dubina pražnjenja (DOD) (10%→100%), što odgovara stanju napunjenosti (SOC) od 90%→0%. Podaci o naponu, struji i kapacitetu zabilježeni su tijekom procesa pražnjenja. Nakon mirovanja od 60 minuta, baterija je napunjena brzinom od 0,5C (CC). Kada je postignut granični napon, način punjenja je prebačen na konstantni napon (CV). Kada je struja bila manja od 0,05C, proces je zaustavljen, a podaci o naponu, struji i kapacitetu su zabilježeni. Relevantni podaci prikazani su u tablici 3-2. Krivulje struje punjenja litij-ionske baterije pod različitim uvjetima dubine pražnjenja prikazane su na slici 3-13.

Tablica 3-2 Parametri ispitivanja punjenja pri različitim dubinama pražnjenja

① Equal-Capacity Charged Energy: Energija naplaćena pod istom SOC promjenom (npr. 10%). Na primjer: ako je kapacitet punjenja pri 90% DOD-a 30W·h, jednak-kapacitet napunjene energije je 30W·h; ako je kapacitet punjenja pri 80% DOD-a 50 W·h, jednak-kapacitet napunjene energije iznosi 25 W·h.

② Ispuštena energija jednakog-kapaciteta: Energija ispuštena pod istom SOC promjenom (npr. 10%).

③ Prosječno vrijeme punjenja po jedinici kapaciteta/min: Vrijeme punjenja/Kapacitet punjenja.

Iz tablice 3-2 i slike 3-13 mogu se izvući sljedeći zaključci:

1) S povećanjem dubine pražnjenja, vrijeme punjenja se povećava, ali se prosječno vrijeme punjenja po jedinici kapaciteta smanjuje, što znači da povećanje vremena punjenja nije proporcionalno dubini pražnjenja.

2) S povećanjem dubine pražnjenja, udio vremena punjenja konstantne struje prema ukupnom vremenu punjenja se povećava, a udio kapaciteta punjenja konstantne struje prema potrebnom kapacitetu punjenja se povećava. U stvarnosti, ove karakteristike uglavnom su uzrokovane dvama čimbenicima: prvo, dublja dubina pražnjenja zahtijeva dulje vrijeme da se baterija u potpunosti napuni; drugo, dublja dubina pražnjenja odgovara nižem rasponu napona, što rezultira manjim punjenjem energije u bateriju pod istim uvjetima struje i vremena punjenja.

(3) Utjecaj temperature na karakteristike punjenja Litij-ionske baterije punjene su pri različitim temperaturama okoline. Uzimajući 66,2 A·h NCM litij-ionsku bateriju kao primjer, korištena je metoda ograničenja konstantne struje i napona. Parametri punjenja su zabilježeni s ograničenjem struje punjenja od 1,3 A i 3,3 A, kao što je prikazano u tablici 3-3. Pod istom strujom pražnjenja, napon baterije će doživjeti nagli pad, kao što je prikazano na slici 3-13. Međutim, budući da napon ostaje relativno visok, energija pražnjenja je još uvijek visoka. U početnoj fazi pražnjenja, energija koju troši unutarnji otpor baterije povećava temperaturu baterije, pojačava aktivnost aktivnih materijala litij-ionske baterije i podiže napon baterije, čime se povećava energija koja se može osloboditi. U srednjoj i kasnijoj fazi pražnjenja, napon baterije se smanjuje, a energija koja se oslobađa u jedinici vremena smanjuje se u skladu s tim.

Na istoj temperaturi i s istim završnim naponom pražnjenja, različite struje završetka pražnjenja rezultirat će razlikama u kapacitetu i oslobođenoj energiji. Općenito, pod normalnim temperaturnim uvjetima, što je niža struja, to je veći kapacitet i oslobođena energija. Kao u gore spomenutom eksperimentu pražnjenja, 0,2C oslobađa 3,2% više kapaciteta i energije nego 1C.