ویژگی های شارژ و دشارژ چیست؟

ویژگی های شارژ و دشارژ چیست؟

باتری‌های لیتیومی-معمولاً از روش شارژ دو مرحله‌ای- برای اطمینان از ایمنی، قابلیت اطمینان و کارایی شارژ استفاده می‌کنند. مرحله اول جریان ثابت با محدودیت ولتاژ و مرحله دوم ولتاژ ثابت با محدودیت جریان است. حداکثر محدودیت ولتاژ برای شارژ باتری لیتیوم{4} یون بسته به ماده کاتد متفاوت است. منحنی های اصلی ولتاژ شارژ/دشارژ یک باتری لیتیوم- یونی در شکل 3 نشان داده شده است-11. منحنی های شکل از جریان شارژ/دشارژ C/3 استفاده می کنند. برای باتری های لیتیوم یون مختلف، تفاوت های اصلی دو مورد است:

Figure 3-11 Basic charging and discharging voltage curve of lithium-ion battery

1) مقدار جریان ثابت بهینه برای مرحله اول بسته به مواد کاتد باتری و فرآیند ساخت متفاوت است. معمولاً از محدوده جریان 0.2C تا 0.3C استفاده می شود. در موارد مصرف برق سریع، می توان از 1C، 2C یا حتی نرخ های بالاتر استفاده کرد.

2) باتری‌های لیتیوم{1} یون مختلف تفاوت‌های قابل‌توجهی در مدت زمان جریان ثابت از خود نشان می‌دهند، و نسبت ظرفیتی که می‌توان با جریان ثابت به ظرفیت کل شارژ کرد نیز به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است. از منظر کاربردهای عملی خودروهای الکتریکی، مدت زمان جریان ثابت طولانی‌تر منجر به زمان شارژ کلی کوتاه‌تر می‌شود که برای کاربردها مفیدتر است.

ولتاژ باتری لیتیوم{0} یون پایدار است و در مراحل اولیه و میانی تخلیه به آرامی کاهش می یابد، اما در مراحل بعدی به سرعت کاهش می یابد، همانطور که در بخش DE شکل 3 نشان داده شده است-11. کنترل موثر در این مرحله برای جلوگیری از تخلیه بیش از حد و آسیب غیرقابل برگشت به باتری بسیار مهم است.

(1) اثرجریان شارژدر مورد ویژگی های شارژ با استفاده از یک باتری لیتیوم{0} یونی NCM با ظرفیت نامی 242A·h به عنوان مثال، در شرایط SOC=0% و دمای ثابت 20 درجه، نرخ های شارژ متفاوتی برای شارژ استفاده شد. نتایج پارامتر در جدول 3-1 و منحنی شارژ در شکل 3-12 نشان داده شده است.

فعلی/A (نرخ)	CC-CV①زمان کل	زمان/ثانیه جاری ثابت	مجموع ظرفیت شارژ/A·h	انرژی شارژ کل/W·h	ظرفیت شارژ جریان ثابت/A·h	انرژی شارژ شده با ولتاژ ثابت/W·h	170A·hTime/s	170A·Current/A
4.84/(0.02C)	182220	182220	245.74	942.54	245.74	942.54	127400	4.85
12.1/(0.05C)	72318.5	72318.5	243.70	935.37	243.70	935.37	50400	12.11
24.2/(0.1C)	36206.8	35800	243.20	935.77	241.03	926.69	25200	24.24
48.4/(0.2C)	18317.5	17560	241.08	933.32	236.32	912.16	12600	48.44
80.7/(0.33C)	11443.6	10490	243.50	946.27	235.29	910.08	7590	80.76
121/(0.5C)	7936.6	6900	243.92	952.95	232.09	900.85	5110	121.09

① CC، جریان ثابت. CV، ولتاژ ثابت.

Figure 3-12 Lithium-ion battery charging curves at different C-rates

همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است{14}}1، زمان جریان ثابت به تدریج با افزایش جریان شارژ کاهش می‌یابد و ظرفیت و انرژی قابل شارژ تحت جریان ثابت نیز به تدریج کاهش می‌یابد. با در نظر گرفتن ظرفیت شارژ و دشارژ 1/2 (یعنی SOC{6}}%) به عنوان استاندارد، زمان شارژ مورد نیاز با افزایش جریان شارژ کاهش می‌یابد. زمان مورد نیاز برای 0.1C تقریبا 5 برابر برای 0.5C است. در این شرایط، تفاوت فعلی برای ادامه شارژ کم است، بنابراین زمان شارژ برای آخرین 30A·h تفاوت قابل توجهی ندارد. بنابراین، در محدوده جریان شارژ مجاز باتری، افزایش جریان شارژ، اگرچه ظرفیت و انرژی قابل شارژ تحت جریان ثابت را کاهش می دهد، اما به کاهش زمان شارژ کلی کمک می کند. در کاربردهای عملی بسته باتری می توان از حداکثر جریان مجاز شارژ باتری لیتیوم یونی برای شارژ استفاده کرد و پس از رسیدن به حد مجاز ولتاژ، شارژ ولتاژ ثابت را انجام داد. این باعث کاهش زمان شارژ می شود و در عین حال ایمنی شارژ را تضمین می کند. البته افزایش جریان شارژ به دلیل مقاومت داخلی باتری منجر به افزایش اتلاف انرژی نیز خواهد شد. انرژی مصرف شده در مقاومت داخلی طبق رابطه (3-4) محاسبه می شود.

Factors affecting charging characteristics

جایی که E انرژی مصرف شده توسط مقاومت داخلی است.

r مقاومت داخلی باتری است.

t متغیر زمان شارژ است.

من جریان شارژ است.

t1 و t2 زمان شروع و پایان شارژ هستند.

آزمایش‌های گسترده نشان داده است که مقاومت داخلی باتری‌های لیتیوم{0} یونی در طول شارژ در عرض 0.4 mΩ تغییر می‌کند. بنابراین، رابطه (3-4) نشان می دهد که مصرف انرژی ناشی از مقاومت داخلی باتری اساساً به طور خطی با زمان شارژ مرتبط است، اما به طور درجه دوم با جریان شارژ مرتبط است. در مرحله شارژ جریان ثابت، مقدار جریان شارژ عامل اصلی تأثیرگذار بر مصرف انرژی مقاومت داخلی است. جریان شارژ بیشتر منجر به مصرف انرژی بیشتر می شود. در طول مرحله ولتاژ ثابت، جریان کم، زمان شارژ به عامل اصلی تأثیرگذار بر مصرف انرژی مقاومت داخلی تبدیل می شود. زمان شارژ بیشتر باعث مصرف انرژی بیشتر می شود. با در نظر گرفتن کل فرآیند شارژ، از آنجایی که جریان شارژ با مصرف انرژی مقاومت داخلی رابطه درجه دو دارد و عامل اصلی موثر بر آن است، جریان شارژ بیشتر منجر به مصرف انرژی مقاومت داخلی بیشتر می شود. در کاربردهای عملی باتری، یک جریان شارژ مناسب باید با در نظر گرفتن همه جانبه زمان شارژ و کارایی انتخاب شود.

(2) تأثیر عمق تخلیه بر ویژگی‌های شارژ تحت دمای ثابت 20 درجه، آزمایش تخلیه بر روی یک باتری لیتیوم{2} یونی NCM با ظرفیت نامی 66.2 A·h انجام شد. باتری با نرخ 0.5 درجه سانتیگراد به اعماق دشارژ متفاوت (DOD) (10٪ → 100٪) تخلیه شد که مربوط به حالت شارژ (SOC) 90٪ → 0٪ است. داده های ولتاژ، جریان و ظرفیت در طول فرآیند تخلیه ثبت شد. پس از 60 دقیقه استراحت، باتری با سرعت 0.5 درجه سانتیگراد (CC) شارژ شد. با رسیدن به ولتاژ قطع، حالت شارژ به ولتاژ ثابت (CV) تغییر یافت. هنگامی که جریان کمتر از 0.05 درجه سانتیگراد بود، فرآیند متوقف شد و داده های ولتاژ، جریان و ظرفیت ثبت شد. داده های مربوطه در جدول 3 نشان داده شده است-2. منحنی های جریان شارژ باتری لیتیوم یونی تحت شرایط اعماق مختلف دشارژ در شکل 3-13 نشان داده شده است.

SOC	وزارت دفاع	تخلیه	شارژ کنید	برابر-ظرفیت شارژ انرژی①/W·h	برابر-انرژی تخلیه‌شده ظرفیت②/W·h	زمان شارژ در دقیقه	زمان فعلی ثابت / دقیقه	ظرفیت شارژ جریان ثابت/A·h	میانگین ظرفیت واحد تایمر شارژ③/دقیقه
		ظرفیت/A·h	انرژی/W·h	ظرفیت/A·h	انرژی/W·h
80.00	20.00	13.35	54.03	13.48	55.88	27.94	27.02	41.13	33.50	12.32	3.05
70.00	30.00	20.02	80.16	19.99	82.08	27.36	26.72	59.23	50.83	18.69	2.96
60.00	40.00	26.69	105.62	26.61	108.19	27.05	26.41	77.72	68.50	25.19	2.92
50.00	50.00	33.36	130.42	33.27	133.61	26.72	26.08	96.02	86.67	31.87	2.89
40.00	60.00	40.04	154.61	39.95	158.50	26.42	25.77	114.18	104.83	38.55	2.86
30.00	70.00	46.71	178.38	46.61	182.97	26.14	25.48	132.28	123.00	45.22	2.84
20.00	80.00	53.38	201.73	53.26	207.07	25.88	25.22	150.40	141.00	51.84	2.82
10.00	90.00	60.05	224.45	59.92	230.62	25.62	24.94	168.47	159.17	58.52	2.81

① برابر-انرژی شارژ شده ظرفیت: انرژی که تحت تغییر SOC یکسان شارژ می‌شود (مثلاً 10%). برای مثال: اگر ظرفیت شارژ در 90% DOD 30W·h باشد، انرژی شارژ شده با ظرفیت برابر 30W·h است. اگر ظرفیت شارژ در 80٪ DOD 50 وات · ساعت باشد، ظرفیت شارژ برابر 25 وات ساعت است.

② برابر-انرژی تخلیه شده با ظرفیت: انرژی تخلیه شده تحت تغییر SOC یکسان (مثلاً 10%).

③ میانگین زمان شارژ در هر واحد ظرفیت / دقیقه: زمان شارژ / ظرفیت شارژ.

Figure 3-13 Charging curves of lithium-ion batteries under different depths of discharge conditions

از جدول 3-2 و شکل 3-13 می توان نتایج زیر را به دست آورد:

1) با افزایش عمق تخلیه، زمان شارژ افزایش می یابد، اما میانگین زمان شارژ در واحد ظرفیت کاهش می یابد، یعنی افزایش زمان شارژ متناسب با عمق تخلیه نیست.

2) با افزایش عمق تخلیه، نسبت زمان شارژ جریان ثابت به کل زمان شارژ افزایش می یابد و نسبت ظرفیت شارژ جریان ثابت به ظرفیت شارژ مورد نیاز افزایش می یابد. در واقع، این ویژگی ها عمدتاً توسط دو عامل ایجاد می شوند: اول، عمق تخلیه عمیق تر به زمان بیشتری برای شارژ کامل باتری نیاز دارد. دوم، عمق تخلیه عمیق‌تر مربوط به محدوده ولتاژ پایین‌تر است و در نتیجه انرژی کمتری تحت شرایط جریان و زمان شارژ یکسان به باتری شارژ می‌شود.

(3) تأثیر دما بر ویژگی‌های شارژ باتری‌های لیتیوم- تحت دماهای مختلف محیط شارژ شدند. با در نظر گرفتن یک باتری لیتیوم یونی 66.2 A·h NCM{4}}، از یک روش محدود کردن جریان و ولتاژ ثابت استفاده شد. پارامترهای شارژ با محدودیت جریان شارژ 1.3 A و 3.3 A ثبت شد، همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است-3. همانطور که در شکل 3-13 نشان داده شده است، تحت جریان تخلیه یکسان، ولتاژ باتری افت شدیدی را تجربه خواهد کرد. با این حال، به دلیل اینکه ولتاژ نسبتاً بالا باقی می ماند، انرژی تخلیه همچنان بالا است. در مرحله اولیه تخلیه، انرژی مصرف شده توسط مقاومت داخلی باتری، دمای باتری را افزایش می دهد، فعالیت مواد فعال باتری لیتیوم یونی را افزایش می دهد و ولتاژ باتری را افزایش می دهد و در نتیجه انرژی قابل آزاد شدن را افزایش می دهد. در مراحل میانی و بعدی دشارژ، ولتاژ باتری کاهش می‌یابد و انرژی آزاد شده در واحد زمان به همان نسبت کاهش می‌یابد.

در یک دما و با ولتاژ پایان تخلیه یکسان، جریان های پایان دشارژ متفاوت باعث تفاوت در ظرفیت و انرژی آزاد شده می شود. به طور کلی، در شرایط دمایی معمولی، هرچه جریان کمتر باشد، ظرفیت و انرژی آزاد شده بیشتر است. همانطور که در آزمایش تخلیه ذکر شده در بالا، 0.2C 3.2٪ ظرفیت و انرژی بیشتری نسبت به 1C آزاد می کند.

Figure 3-15 Discharge energy-discharge capacity curves at different temperatures