By hoppt
Када се литијум-јонска батерија испразни, њен радни напон се увек мења са временом. Радни напон батерије се користи као ордината, време пражњења или капацитет, или стање напуњености (СОЦ), или дубина пражњења (ДОД) као апсциса, а нацртана крива се назива крива пражњења. Да бисмо разумели карактеристичну криву пражњења батерије, прво морамо да разумемо напон батерије у принципу.
Да би реакција електрода формирала батерију морају да испуњавају следеће услове: процес губљења електрона у хемијској реакцији (тј. процес оксидације) и процес добијања електрона (тј. процес реакције редукције) морају бити раздвојени у две различите области, која се разликује од опште редокс реакције; редокс реакција активне супстанце две електроде мора се преносити спољним колом, што се разликује од реакције микробатерије у процесу корозије метала. Напон батерије је разлика потенцијала између позитивне и негативне електроде. Специфични кључни параметри укључују напон отвореног кола, радни напон, прекидни напон пуњења и пражњења итд.
Потенцијал електроде се односи на урањање чврстог материјала у раствор електролита, показујући електрични ефекат, односно разлику потенцијала између површине метала и раствора. Ова разлика потенцијала назива се потенцијалом метала у раствору или потенцијалом електроде. Укратко, потенцијал електроде је тенденција јона или атома да стекне електрон.
Према томе, за одређену позитивну електроду или негативну електроду, када се стави у електролит са литијумовом соли, њен електродни потенцијал се изражава као:
Где је φ ц електродни потенцијал ове супстанце. Стандардни потенцијал водоничне електроде је постављен на 0.0 В.
Електромоторна сила батерије је теоријска вредност израчуната према реакцији батерије термодинамичком методом, односно разлика између равнотежног електродног потенцијала батерије и позитивне и негативне електроде при прекиду кола је максимална вредност да батерија може дати напон. У ствари, позитивна и негативна електрода нису нужно у стању термодинамичке равнотеже у електролиту, односно, потенцијал електроде који успостављају позитивне и негативне електроде батерије у раствору електролита обично није равнотежни потенцијал електроде, тако да напон отвореног кола батерије је генерално мањи од њене електромоторне силе. За реакцију електроде:
Узимајући у обзир нестандардно стање реактантне компоненте и активност (или концентрацију) активне компоненте током времена, стварни напон отвореног кола ћелије се модификује помоћу једначине енергије:
Где је Р гасна константа, Т је температура реакције, а а активност или концентрација компоненте. Напон отвореног кола батерије зависи од својстава материјала позитивне и негативне електроде, електролита и температурних услова и независан је од геометрије и величине батерије. Припрема материјала за литијум-јонске електроде у стуб, а литијум метални лим састављен у пола батерије дугмета, може мерити материјал електроде у различитим СОЦ стању отвореног напона, отворена крива напона је реакција стања напуњености материјала електроде, отворени пад напона за складиштење батерије, али није много велики, ако је отворени пад напона пребрз или је амплитуда абнормална појава. Промена површинског стања биполарних активних супстанци и самопражњење батерије су главни разлози за смањење напона отвореног кола у складишту, укључујући промену слоја маске табеле материјала позитивне и негативне електроде; промена потенцијала узрокована термодинамичком нестабилношћу електроде, растварањем и таложењем металних страних нечистоћа и микро кратким спојем изазваним дијафрагмом између позитивне и негативне електроде. Када литијум-јонска батерија стари, промена К вредности (пад напона) је процес формирања и стабилности СЕИ филма на површини материјала електроде. Ако је пад напона превелик, унутра је микрократки спој и батерија се сматра неквалификованом.
Када струја пролази кроз електроду, појава да електрода одступа од равнотежног потенцијала електроде назива се поларизација, а поларизација генерише пренапона. Према узроцима поларизације, поларизација се може поделити на омску поларизацију, концентрацијску поларизацију и електрохемијску поларизацију. ШИПАК. 2 је типична крива пражњења батерије и утицај различитих поларизација на напон.
Слика 1. Типична крива пражњења и поларизација
(1) Охмска поларизација: узрокована отпором сваког дела батерије, вредност пада притиска следи Охмов закон, струја се смањује, поларизација се одмах смањује, а струја нестаје одмах након што престане.
(2) Електрохемијска поларизација: поларизација је узрокована спором електрохемијском реакцијом на површини електроде. Знатно се смањио унутар микросекундног нивоа како струја постаје мања.
(3) Концентрациона поларизација: услед успоравања процеса дифузије јона у раствору, разлика концентрације између површине електроде и тела раствора је поларизована под одређеном струјом. Ова поларизација се смањује или нестаје како се електрична струја смањује у макроскопским секундама (од неколико секунди до десетина секунди).
Унутрашњи отпор батерије се повећава са повећањем струје пражњења батерије, што је углавном зато што велика струја пражњења повећава тренд поларизације батерије, а што је струја пражњења већа, то је очигледнији тренд поларизације, као што је приказано. на слици 2. Према Омовом закону: В=Е0-ИРТ, са повећањем унутрашњег укупног отпора РТ, време потребно да напон батерије достигне напон прекида пражњења се сходно томе смањује, па је и капацитет ослобађања такође смањен. смањена.
Слика 2. Утицај густине струје на поларизацију
Литијум-јонска батерија је у суштини нека врста литијум-јонске батерије за концентрацију. Процес пуњења и пражњења литијум-јонске батерије је процес уградње и уклањања литијум јона у позитивне и негативне електроде. Фактори који утичу на поларизацију литијум-јонских батерија укључују:
(1) Утицај електролита: ниска проводљивост електролита је главни разлог за поларизацију литијум-јонских батерија. У општем температурном опсегу, проводљивост електролита који се користи за литијум-јонске батерије је углавном само 0.01~0.1С/цм, што је један проценат воденог раствора. Стога, када се литијум-јонске батерије испразне великом струјом, прекасно је да се допуни Ли + из електролита и појавиће се феномен поларизације. Побољшање проводљивости електролита је кључни фактор за побољшање капацитета пражњења велике струје литијум-јонских батерија.
(2) Утицај позитивних и негативних материјала: дужи канал позитивног и негативног материјала дифузија великих честица литијум јона на површину, што не погодује пражњењу велике брзине.
(3) Средство проводника: садржај проводног агенса је важан фактор који утиче на перформансе пражњења високог односа. Ако је садржај проводног агенса у формули катоде недовољан, електрони се не могу пренети на време када се велика струја испразни, а унутрашњи отпор поларизације брзо расте, тако да се напон батерије брзо смањује на напон прекида пражњења. .
(4) Утицај дизајна полова: дебљина пола: у случају великог струјног пражњења, брзина реакције активних супстанци је веома брза, што захтева да се литијум јон брзо угради и одвоји у материјалу. Ако је полна плоча дебела и путања дифузије литијум јона се повећава, смер дебљине пола ће произвести велики градијент концентрације литијум јона.
Густина сабијања: густина сабијања полног листа је већа, поре постају мање, а пут кретања литијум јона у правцу дебљине полног листа је дужи. Поред тога, ако је густина сабијања превелика, површина контакта између материјала и електролита се смањује, место реакције електроде се смањује, а унутрашњи отпор батерије ће се такође повећати.
(5) Утицај СЕИ мембране: формирање СЕИ мембране повећава отпор интерфејса електрода/електролит, што резултира хистерезом напона или поларизацијом.
Радни напон, такође познат као крајњи напон, односи се на разлику потенцијала између позитивне и негативне електроде батерије када струја тече у колу у радном стању. У радном стању пражњења батерије, када струја тече кроз батерију, отпор изазван унутрашњим отпором треба да се превазиђе, што ће изазвати пад притиска и поларизацију електроде, тако да је радни напон увек нижи од напона отвореног кола, а при пуњењу је крајњи напон увек већи од напона отвореног кола. То јест, резултат поларизације чини крајњи напон пражњења батерије нижим од електромоторног потенцијала батерије, који је већи од електромоторног потенцијала напуњене батерије.
Због постојања феномена поларизације, тренутни напон и стварни напон у процесу пуњења и пражњења. Приликом пуњења, тренутни напон је нешто већи од стварног напона, поларизација нестаје и напон опада када се тренутни напон и стварни напон смањују након пражњења.
Да сумирамо горњи опис, израз је:
Е +, Е- -представљају потенцијале позитивне и негативне електроде, респективно, Е + 0 и Е- -0 представљају равнотежни електродни потенцијал позитивне и негативне електроде, респективно, ВР представља напон омске поларизације, а η + , η - -представљају препотенцијал позитивне и негативне електроде, респективно.
Након основног разумевања напона батерије, почели смо да анализирамо криву пражњења литијум-јонских батерија. Крива пражњења у основи одражава стање електроде, што је суперпозиција промена стања позитивне и негативне електроде.
Крива напона литијум-јонских батерија током процеса пражњења може се поделити у три фазе
1) У почетној фази батерије, напон брзо опада, а што је већа брзина пражњења, то брже пада напон;
2) Напон батерије улази у фазу споре промене, која се назива платформа батерије. Што је мања брзина пражњења,
Што је дуже трајање подручја платформе, што је већи напон платформе, то је спорији пад напона.
3) Када се батерија скоро заврши, напон пуњења батерије почиње нагло да опада све док се не достигне напон заустављања пражњења.
Током тестирања постоје два начина прикупљања података
(1) Прикупити податке о струји, напону и времену према задатом временском интервалу Δ т;
(2) Прикупите податке о струји, напону и времену према подешеној разлици промене напона Δ В. Тачност опреме за пуњење и пражњење углавном укључује тачност струје, тачност напона и временску прецизност. У табели 2 приказани су параметри опреме одређене машине за пуњење и пражњење, где% ФС представља проценат пуног опсега, а 0.05%РД се односи на измерену грешку у опсегу од 0.05% очитања. Опрема за пуњење и пражњење генерално користи ЦНЦ извор константне струје уместо отпора оптерећења за оптерећење, тако да излазни напон батерије нема никакве везе са серијским отпором или паразитским отпором у колу, већ се односи само на напон Е и унутрашњи отпор р и струја кола И идеалног извора напона који је еквивалентан батерији. Ако се отпор користи за оптерећење, подесите напон идеалног извора напона еквивалентне батерије на Е, унутрашњи отпор је р, а отпор оптерећења Р. Измерите напон на оба краја отпора оптерећења са напоном метар, као што је приказано на горњој слици на слици 6. Међутим, у пракси, у колу постоје отпорност проводника и контактни отпор уређаја (уједначени паразитски отпор). Еквивалентна шема кола приказана на Сл. 3 је приказана на следећој слици на Сл. 3. У пракси се неизбежно уводи паразитски отпор, тако да укупни отпор оптерећења постаје велики, али је измерени напон напон на оба краја отпора оптерећења Р, па се уноси грешка.
Слика 3 Основна блок дијаграм и стварни еквивалентни дијаграм кола методе отпорног пражњења
Када се као оптерећење користи извор константне струје са струјом И1, шематски дијаграм и стварна еквивалентна шема кола су приказани на слици 7. Е, И1 су константне вредности и р је константно за одређено време.
Из горње формуле видимо да су два напона А и Б константна, односно да излазни напон батерије није повезан са величином серијског отпора у петљи, и наравно, нема никакве везе са отпорношћу паразита. Поред тога, режим мерења са четири терминала може постићи прецизније мерење излазног напона батерије.
Слика 4 Блок шема опреме и стварна еквивалентна шема кола оптерећења извора константне струје
Истовремени извор је уређај за напајање који може да обезбеди константну струју за оптерећење. И даље може одржавати излазну струју константном када екстерно напајање флуктуира и карактеристике импедансе се промене.
Опрема за испитивање пуњења и пражњења углавном користи полупроводнички уређај као елемент протока. Подешавањем контролног сигнала полупроводничког уређаја, он може симулирати оптерећење различитих карактеристика као што су константна струја, константни притисак и константни отпор и тако даље. Тестни режим пражњења литијум-јонске батерије углавном укључује пражњење константне струје, пражњење константног отпора, пражњење константне снаге итд. У сваком режиму пражњења, континуирано пражњење и интервално пражњење се такође могу поделити, у којима се према дужини времена, интервално пражњење се може поделити на повремено пражњење и пулсно пражњење. Током теста пражњења, батерија се празни у складу са подешеним режимом и престаје да се празни након достизања постављених услова. Услови искључења пражњења укључују подешавање искључења напона, подешавање временског искључења, подешавање искључења капацитета, подешавање негативног напонског градијента искључења итд. Промена напона пражњења батерије је повезана са системом пражњења, тј. је, на промену криве пражњења утиче и систем пражњења, укључујући: струју пражњења, температуру пражњења, напон завршетка пражњења; повремено или континуирано пражњење. Што је струја пражњења већа, то брже пада радни напон; са температуром пражњења, крива пражњења се лагано мења.
(1) Пражњење константне струје
Приликом пражњења константном струјом, тренутна вредност се поставља, а затим се тренутна вредност постиже подешавањем ЦНЦ извора константне струје, тако да се реализује константно пражњење батерије. У исто време, крајњи напон батерије се прикупља да би се откриле карактеристике пражњења батерије. Пражњење константном струјом је пражњење исте струје пражњења, али напон батерије наставља да опада, тако да снага наставља да опада. Слика 5 је крива напона и струје пражњења константном струјом литијум-јонских батерија. Због константног струјног пражњења, временска оса се лако претвара у осу капацитета (производ струје и времена). На слици 5 приказана је крива напон-капацитет при пражњењу константне струје. Пражњење константном струјом је најчешће коришћена метода пражњења у тестовима литијум-јонских батерија.
Слика 5 криве пуњења константном струјом константног напона и пражњења константном струјом при различитим стопама множења
(2) Константно пражњење
Када се константна снага испразни, вредност снаге константне снаге П се прво поставља, а излазни напон У батерије се прикупља. У процесу пражњења потребно је да П буде константан, али се У стално мења, па је потребно континуирано прилагођавати струју И ЦНЦ извора константне струје према формули И = П / У да би се постигла сврха пражњења константне снаге . Одржавајте снагу пражњења непромењеном, јер напон батерије наставља да опада током процеса пражњења, тако да струја у сталном пражњењу наставља да расте. Због константног пражњења снаге, временска координатна оса се лако претвара у енергетску (производ снаге и времена) координатну осу.
Слика 6 Криве пуњења и пражњења константне снаге при различитим брзинама удвостручавања
Поређење пражњења константне струје и пражњења константне снаге
Слика 7: (а) дијаграм капацитета пуњења и пражњења при различитим односима; (б) крива пуњења и пражњења
На слици 7 приказани су резултати испитивања различитог односа пуњења и пражњења у два режима литијум гвожђе фосфатна батерија. Према кривој капацитета на Сл. 7 (а), са повећањем струје пуњења и пражњења у режиму константне струје, стварни капацитет пуњења и пражњења батерије постепено се смањује, али је опсег промене релативно мали. Стварни капацитет пуњења и пражњења батерије постепено се смањује са повећањем снаге, а што је већи множилац, то је капацитет бржи. Капацитет пражњења од 1 х је мањи од режима константног протока. Истовремено, када је брзина пуњења-пражњења нижа од стопе од 5 х, капацитет батерије је већи у условима константне снаге, док је капацитет батерије већи од брзине од 5 х већи под условима константне струје.
Са слике 7 (б) приказана је крива капацитета-напона, под условом ниског односа, крива литијум-гвоздено-фосфатне батерије у два режима капацитета-напона, и промена платформе напона пуњења и пражњења није велика, али под условом високог односа, константна струја-константни напон режим константног напона време значајно дуже, а платформа напона пуњења значајно се повећала, платформа напона пражњења је значајно смањена.
(3) Пражњење константног отпора
Приликом пражњења константног отпора, вредност константног отпора Р се прво поставља да би се прикупио излазни напон батерије У. Током процеса пражњења, Р мора да буде константан, али се У стално мења, тако да тренутна И вредност ЦНЦ константне струје извор треба стално подешавати према формули И=У/Р да би се постигла сврха константног отпора пражњења. Напон батерије је у процесу пражњења увек опадајући, а отпор је исти, па је и струја пражњења И такође опадајући процес.
(4) Континуирано пражњење, повремено пражњење и пулсно пражњење
Батерија се празни у константној струји, константној снази и константном отпору, док се помоћу функције времена реализује контрола непрекидног пражњења, повременог пражњења и пулсног пражњења. Слика 11 приказује криве струје и напонске криве типичног теста пулсног пуњења/пражњења.
Слика 8 Криве струје и криве напона за типичне тестове пулсног пуњења-пражњења
Крива пражњења се односи на криву напона, струје, капацитета и других промена батерије током времена током процеса пражњења. Информације садржане у кривуљи пуњења и пражњења су веома богате, укључујући капацитет, енергију, радни напон и напонску платформу, однос између потенцијала електроде и стања наелектрисања, итд. Главни подаци забележени током теста пражњења су време еволуција струје и напона. Многи параметри се могу добити из ових основних података. У наставку су дати детаљи о параметрима који се могу добити помоћу криве пражњења.
(1) Напон
У тесту пражњења литијум-јонске батерије, параметри напона углавном укључују напонску платформу, средњи напон, просечни напон, напон прекида, итд. Напон платформе је одговарајућа вредност напона када је промена напона минимална, а промена капацитета велика , који се може добити из вршне вредности дК / дВ. Средњи напон је одговарајућа вредност напона половине капацитета батерије. За материјале који су очигледнији на платформи, као што су литијум гвожђе фосфат и литијум титанат, средњи напон је напон платформе. Просечан напон је ефективна површина криве напон-капацитет (тј. енергија пражњења батерије) подељена формулом за прорачун капацитета је у = У (т) * И (т) дт / И (т) дт. Прекидни напон се односи на минимални дозвољени напон када се батерија испразни. Ако је напон нижи од напона прекида пражњења, напон на оба краја батерије ће брзо пасти, стварајући прекомерно пражњење. Прекомерно пражњење може проузроковати оштећење активне супстанце електроде, изгубити способност реакције и скратити век трајања батерије. Као што је описано у првом делу, напон батерије је повезан са стањем напуњености материјала катоде и потенцијалом електроде.
(2) Капацитет и специфични капацитет
Капацитет батерије се односи на количину електричне енергије коју батерија ослобађа под одређеним системом пражњења (под одређеном струјом пражњења И, температуром пражњења Т, граничним напоном пражњења В), што указује на способност батерије да складишти енергију у Ах или Ц На капацитет утичу многи елементи, као што су струја пражњења, температура пражњења итд. Величина капацитета је одређена количином активних супстанци у позитивним и негативним електродама.
Теоретски капацитет: капацитет који даје активна супстанца у реакцији.
Стварни капацитет: стварни капацитет ослобођен под одређеним системом пражњења.
Називни капацитет: односи се на минималну количину енергије коју гарантује батерија под пројектованим условима пражњења.
У тесту пражњења, капацитет се израчунава интеграцијом струје током времена, односно Ц = И (т) дт, константна струја у т константног пражњења, Ц = И (т) дт = И т; константни отпор Р пражњења, Ц = И (т) дт = (1 / Р) * У (т) дт (1 / Р) * оут (у је средњи напон пражњења, т је време пражњења).
Специфични капацитет: Да би се упоредиле различите батерије, уводи се концепт специфичног капацитета. Специфични капацитет се односи на капацитет који даје активна супстанца јединичне масе или јединичне запремине електроде, која се назива масени специфични капацитет или запремински специфични капацитет. Уобичајена метода израчунавања је: специфични капацитет = капацитет првог пражњења батерије / (маса активне супстанце * стопа искоришћења активне супстанце)
Фактори који утичу на капацитет батерије:
а. Струја пражњења батерије: што је већа струја, излазни капацитет се смањује;
б. Температура пражњења батерије: када се температура смањи, излазни капацитет се смањује;
ц. Прекидни напон пражњења батерије: време пражњења постављено материјалом електроде и граница саме реакције електроде је генерално 3.0 В или 2.75 В.
д. Времена пуњења и пражњења батерије: након вишеструког пуњења и пражњења батерије, због квара материјала електроде, батерија ће моћи да смањи капацитет пражњења батерије.
е. Услови пуњења батерије: брзина пуњења, температура, гранични напон утичу на капацитет батерије и на тај начин одређују капацитет пражњења.
Метода одређивања капацитета батерије:
Различите индустрије имају различите стандарде испитивања према условима рада. За литијум-јонске батерије за 3Ц производе, према националном стандарду ГБ / Т18287-2000 Опште спецификације за литијум-јонске батерије за мобилне телефоне, метода тестирања називног капацитета батерије је следећа: а) пуњење: пуњење 0.2Ц5А; б) пражњење: 0.2Ц5А пражњење; ц) пет циклуса, од којих је један квалификован.
За индустрију електричних возила, према националном стандарду ГБ / Т 31486-2015 Захтеви за електричне перформансе и методе испитивања за напајање батерија за електрична возила, називни капацитет батерије се односи на капацитет (Ах) који ослобађа батерија на собној температури са струјним пражњењем 1И1 (А) да би се достигао напон завршетка, у коме је И1 струја пражњења брзине 1 сат, чија је вредност једнака Ц1 (А). Метод тестирања је:
А) На собној температури, зауставите константни напон када се пуни константном струјом пуњењем до напона завршетка пуњења који је одредило предузеће, и зауставите пуњење када струја завршетка пуњења падне на 0.05И1 (А), и задржите пуњење 1 х након пуњење.
Бб) На собној температури, батерија се празни струјом 1И1 (А) све док пражњење не достигне напон завршетка пражњења наведен у техничким условима предузећа;
Ц) измерени капацитет пражњења (мерен Ах), израчунати специфичну енергију пражњења (мерено Вх/кг);
3 г) Поновите кораке а) -) ц) 5 пута. Када је екстремна разлика од 3 узастопна теста мања од 3% номиналног капацитета, тест се може завршити унапред и резултати последња 3 теста могу бити усредњени.
(3) Држава задужења, СПЦ
СОЦ (Стате оф Цхарге) је стање напуњености, које представља однос преосталог капацитета батерије и њеног потпуног стања пуњења након одређеног временског периода или дужег времена под одређеном брзином пражњења. Метода „напон отвореног кола + интеграција по сату“ користи методу напона отвореног кола за процену капацитета пуњења у почетном стању батерије, а затим користи метод интеграције по сату да би се добила снага коју троши а. -метода временске интеграције. Потрошена снага је производ струје пражњења и времена пражњења, а преостала снага је једнака разлици између почетне и потрошене снаге. Математичка процена СОЦ између напона отвореног кола и једночасовног интеграла је:
где је ЦН називни капацитет; η је ефикасност пуњења и пражњења; Т је температура употребе батерије; И је струја батерије; т је време пражњења батерије.
ДОД (Дептх оф Дисцхарге) је дубина пражњења, мера степена пражњења, што је проценат капацитета пражњења према укупном капацитету пражњења. Дубина пражњења има одличну везу са животним веком батерије: што је дубина пражњења дубља, век је краћи. Однос је израчунат за СОЦ = 100% -ДОД
4) Енергија и специфична енергија
Електрична енергија коју батерија може да произведе вршењем спољног рада под одређеним условима назива се енергија батерије, а јединица се генерално изражава у вх. У кривој пражњења енергија се израчунава на следећи начин: В = У (т) * И (т) дт. При пражњењу константне струје, В = И * У (т) дт = Ит * у (у је просечан напон пражњења, т је време пражњења)
а. Теоријска енергија
Процес пражњења батерије је у равнотежном стању, а напон пражњења одржава вредност електромоторне силе (Е), а степен искоришћења активне супстанце је 100%. Под овим условом, излазна енергија батерије је теоријска енергија, односно максимални рад који изврши реверзибилна батерија под константном температуром и притиском.
б. Стварна енергија
Стварна излазна енергија пражњења батерије назива се стварна енергија, прописи индустрије електричних возила („ГБ/Т 31486-2015 Захтеви за електричне перформансе батерије и методе испитивања за електрична возила“), батерија на собној температури са 1И1 (А ) струјно пражњење, да би се достигла енергија (Вх) коју ослобађа завршни напон, која се назива називна енергија.
ц. специфична енергија
Енергија коју даје батерија по јединици масе и по јединици запремине назива се специфична енергија масе или запреминска специфична енергија, која се назива и густина енергије. У јединицама вх / кг или вх / Л.
Најосновнији облик криве пражњења је крива напон-време и временска крива струје. Кроз трансформацију прорачуна временске осе, заједничка крива пражњења такође има криву напон-капацитет (специфични капацитет), криву напон-енергија (специфична енергија), криву напон-СОЦ и тако даље.
(1) Напон-време и тренутна временска крива
Слика 9 Криве напон-време и струја-време
(2) Крива напон-капацитет
Слика 10 Крива напон-капацитет
(3) Крива напон-енергија
Слика Слика 11. Крива напон-енергија
одговорите у року од 6 сати, сва питања су добродошла!
