Jaké jsou charakteristiky nabíjení a vybíjení?

Jaké jsou charakteristiky nabíjení a vybíjení?

Nabít asplnitvlastnosti

Lithium-iontové baterie obvykle používají dvou{1}}fázový způsob nabíjení, aby byla zajištěna bezpečnost, spolehlivost a účinnost nabíjení. První stupeň je konstantní proud s omezením napětí a druhý stupeň je konstantní napětí s omezením proudu. Maximální limit napětí pro nabíjení lithium-iontové baterie se liší v závislosti na materiálu katody. Základní křivky nabíjecího/vybíjecího napětí lithium-iontové baterie jsou znázorněny na obrázku 3-11. Křivky na obrázku používají nabíjecí/vybíjecí proud C/3. U různých lithium-iontových baterií jsou hlavní rozdíly dvojí:

1) Optimální hodnota konstantního proudu pro první stupeň se liší v závislosti na materiálu katody baterie a výrobním procesu. Obecně se používá proudový rozsah 0,2C až 0,3C. V případech rychlé spotřeby energie lze použít 1C, 2C nebo dokonce vyšší rychlosti.

2) Různé lithium-iontové baterie vykazují značné rozdíly v trvání konstantního proudu a poměr kapacity, kterou lze nabíjet konstantním proudem, k celkové kapacitě se také značně liší. Z hlediska praktických aplikací elektrických vozidel má delší trvání konstantního proudu za následek kratší celkovou dobu nabíjení, což je pro aplikace výhodnější.

Napětí lithiové-iontové baterie je stabilní a pomalu klesá v rané a střední fázi vybíjení, ale v pozdějších fázích rychle klesá, jak je znázorněno na segmentu DE na obrázku 3-11. V této fázi je zásadní účinná kontrola, aby se zabránilo nadměrnému vybití a nevratnému poškození baterie.

Faktory ovlivňující nabíjecí charakteristiky

(1) Účineknabíjecí proudo nabíjecích charakteristikách Vezmeme-li jako příklad určitou lithium{0}}iontovou baterii NCM s jmenovitou kapacitou 242 A·h, za podmínek SOC=0 % a konstantní teploty 20 stupňů byly pro nabíjení použity různé rychlosti nabíjení. Výsledky parametrů jsou uvedeny v tabulce 3-1 a nabíjecí křivka je znázorněna na obrázku 3-12.

Tabulka 3-1 Parametry nabíjení pro různé rychlosti nabíjení

① CC, konstantní proud; CV, konstantní napětí.

Jak ukazuje tabulka 3-1, doba konstantního proudu se s rostoucím nabíjecím proudem postupně snižuje a také kapacita a energie, které lze nabíjet konstantním proudem, se postupně snižují. Vezmeme-li nabíjecí a vybíjecí kapacitu 1/2 (tj. SOC=50}%) jako standard, požadovaná doba nabíjení klesá s rostoucím nabíjecím proudem; čas potřebný pro 0,1 C je přibližně 5krát vyšší než pro 0,5 C. Za těchto podmínek je rozdíl proudu pro pokračující nabíjení malý, takže doba nabíjení za posledních 30 A·h se výrazně neliší. V rámci povoleného nabíjecího proudu baterie tedy zvýšení nabíjecího proudu, i když snížení kapacity a energie, kterou lze nabíjet konstantním proudem, pomáhá zkrátit celkovou dobu nabíjení. V praktických aplikacích bateriových sad lze pro nabíjení využít maximální povolený nabíjecí proud lithium-iontové baterie a po dosažení napěťové meze lze provádět nabíjení konstantním napětím. To zkracuje dobu nabíjení a zároveň zajišťuje bezpečnost nabíjení. Zvýšení nabíjecího proudu však také povede ke zvýšení energetických ztrát způsobených vnitřním odporem baterie. Energie spotřebovaná ve vnitřním odporu se vypočítá podle rovnice (3-4).

Kde E je energie spotřebovaná vnitřním odporem;

r je vnitřní odpor baterie;

t je proměnná doby nabíjení;

I je nabíjecí proud;

t₁ a t2 jsou časy začátku a konce nabíjení.

Rozsáhlé testování prokázalo, že vnitřní odpor lithium-iontových baterií se během nabíjení mění v rozmezí 0,4 mΩ. Rovnice (3-4) tedy ukazuje, že spotřeba energie způsobená vnitřním odporem baterie je v podstatě lineárně úměrná době nabíjení, ale kvadraticky souvisí s nabíjecím proudem. Ve fázi nabíjení konstantním proudem je velikost nabíjecího proudu primárním faktorem ovlivňujícím spotřebu energie vnitřního odporu; vyšší nabíjecí proud má za následek větší spotřebu energie. Během fáze konstantního napětí a nízkého proudu se čas nabíjení stává primárním faktorem ovlivňujícím spotřebu energie vnitřního odporu; delší doba nabíjení má za následek vyšší spotřebu energie. Vzhledem k celému procesu nabíjení, protože nabíjecí proud má kvadratickou závislost se spotřebou energie vnitřního odporu a je hlavním faktorem, který ji ovlivňuje, vyšší nabíjecí proud má za následek větší spotřebu energie vnitřního odporu. V praktických aplikacích baterií by měl být zvolen vhodný nabíjecí proud komplexním zvážením doby nabíjení a účinnosti.

(2) Vliv hloubky vybití na charakteristiky nabíjení Při konstantní teplotě 20 stupňů byl proveden vybíjecí test na lithium-iontové baterii NCM s jmenovitou kapacitou 66,2 A·h. Baterie se vybíjela rychlostí 0,5 C do různých hloubek vybití (DOD) (10 %→100 %), což odpovídá stavu nabití (SOC) 90 %→0 %. Údaje o napětí, proudu a kapacitě byly zaznamenány během procesu vybíjení. Po 60 minutách odpočinku se baterie nabíjela rychlostí 0,5 C (CC). Po dosažení vypínacího napětí se režim nabíjení přepnul na konstantní napětí (CV). Když byl proud nižší než 0,05 C, proces byl zastaven a byly zaznamenány údaje o napětí, proudu a kapacitě. Relevantní údaje jsou uvedeny v tabulce 3-2. Křivky nabíjecího proudu lithium-iontové baterie při různých hloubkách vybití jsou znázorněny na obrázku 3-13.

Tabulka 3-2 Parametry testu nabíjení při různé hloubce vybití

① Stejná{0}}kapacita nabitá energie: Energie nabitá při stejné změně SOC (např. 10 %). Například: pokud je nabíjecí kapacita při 90 % DOD 30 W·h, stejná kapacita nabité energie je 30 W·h; pokud je nabíjecí kapacita při 80 % DOD 50 W·h, stejná kapacita{11}}nabité energie je 25 W·h.

② Stejná{0}}kapacita vybitá energie: Energie vybitá při stejné změně SOC (např. 10 %).

③ Průměrná doba nabíjení na jednotku Kapacita / min: Doba nabíjení / Kapacita nabíjení.

Z tabulky 3-2 a obrázku 3-13 lze vyvodit následující závěry:

1) S rostoucí hloubkou vybití se doba nabíjení prodlužuje, ale průměrná doba nabíjení na jednotku kapacity se snižuje, což znamená, že prodloužení doby nabíjení není úměrné hloubce vybití.

2) S rostoucí hloubkou vybití se zvyšuje podíl doby nabíjení konstantním proudem k celkové době nabíjení a zvyšuje se podíl kapacity nabíjení konstantním proudem k požadované kapacitě nabíjení. Ve skutečnosti jsou tyto vlastnosti způsobeny hlavně dvěma faktory: za prvé, hlubší hloubka vybití vyžaduje delší dobu k úplnému nabití baterie; za druhé, hlubší hloubka vybití odpovídá nižšímu rozsahu napětí, což má za následek menší nabití energie do baterie při stejném proudu a době nabíjení.

(3) Vliv teploty na charakteristiky nabíjení Lithium-iontové baterie byly nabíjeny za různých okolních teplot. Vezmeme-li jako příklad 66,2 A·h NCM lithium-iontovou baterii, byla použita metoda omezování konstantního proudu a napětí. Parametry nabíjení byly zaznamenány s limitem nabíjecího proudu 1,3 A a 3,3 A, jak je uvedeno v tabulce 3-3. Při stejném vybíjecím proudu dojde k prudkému poklesu napětí baterie, jak je znázorněno na obrázku 3-13. Protože však napětí zůstává relativně vysoké, energie výboje je stále vysoká. V počáteční fázi vybíjení energie spotřebovaná vnitřním odporem baterie zvyšuje teplotu baterie, zvyšuje aktivitu aktivních materiálů lithium-iontové baterie a zvyšuje napětí baterie, čímž se zvyšuje energie, kterou lze uvolnit. Ve střední a pozdější fázi vybíjení se napětí baterie snižuje a odpovídajícím způsobem klesá i energie uvolněná za jednotku času.

Při stejné teplotě a stejném vybíjecím koncovém napětí budou mít různé vybíjecí koncové proudy za následek rozdíly v kapacitě a uvolněné energii. Obecně platí, že za normálních teplotních podmínek platí, že čím nižší je proud, tím větší je kapacita a uvolněná energie. Stejně jako ve výše uvedeném experimentu s vybíjením, 0,2C uvolňuje o 3,2% více kapacity a energie než 1C.