Quines són les característiques de càrrega i descàrrega?

Quines són les característiques de càrrega i descàrrega?

Càrrega idescàrregacaracterístiques

Les bateries d'ions de liti-normalment utilitzen un mètode de càrrega en dues-etapes per garantir la seguretat, la fiabilitat i l'eficiència de càrrega. La primera etapa és de corrent constant amb limitació de tensió, i la segona etapa és de tensió constant amb limitació de corrent. El límit de tensió màxim per carregar una bateria d'ions de liti-varia en funció del material del càtode. Les corbes bàsiques de tensió de càrrega/descàrrega d'una bateria d'ions de liti-es mostren a la figura 3-11. Les corbes de la figura utilitzen un corrent de càrrega/descàrrega de C/3. Per a diferents bateries d'ions de liti, les principals diferències són dues:

1) El valor de corrent constant òptim per a la primera etapa varia segons el material del càtode de la bateria i el procés de fabricació. En general, s'utilitza un rang de corrent de 0,2C a 0,3C. En casos de consum ràpid d'energia, es poden utilitzar tarifes d'1C, 2C o fins i tot més altes.

2) Les diferents bateries d'ions de liti-exhibeixen diferències significatives en la durada del corrent constant i la proporció de capacitat que es pot carregar amb corrent constant respecte a la capacitat total també varia considerablement. Des de la perspectiva de les aplicacions pràctiques de vehicles elèctrics, una durada de corrent constant més llarga resulta en un temps de càrrega total més curt, cosa que és més beneficiós per a les aplicacions.

La tensió de la bateria de ions de liti- és estable i disminueix lentament en les etapes inicials i mitjanes de la descàrrega, però cau ràpidament en les etapes posteriors, tal com es mostra al segment DE de la figura 3-11. Un control efectiu és crucial durant aquesta etapa per evitar una descàrrega excessiva i danys irreversibles a la bateria.

Factors que afecten les característiques de càrrega

(1) Efecte decorrent de càrregasobre les característiques de càrrega Prenent com a exemple una determinada bateria de liti-NCM amb una capacitat nominal de 242A·h, en condicions de SOC=0% i temperatura constant de 20 graus, es van utilitzar diferents taxes de càrrega per a la càrrega. Els resultats dels paràmetres es mostren a la taula 3-1 i la corba de càrrega es mostra a la figura 3-12.

Taula 3-1 Paràmetres de càrrega per a diferents taxes de càrrega

① CC, corrent constant; CV, tensió constant.

Tal com es mostra a la taula 3-1, el temps de corrent constant disminueix gradualment a mesura que augmenta el corrent de càrrega i la capacitat i l'energia que es poden carregar amb corrent constant també disminueixen gradualment. Tenint com a estàndard la capacitat de càrrega i descàrrega d'1/2 (és a dir, SOC=50%), el temps de càrrega requerit disminueix amb l'augment del corrent de càrrega; el temps necessari per a 0,1C és aproximadament 5 vegades més que per a 0,5C. En aquesta condició, la diferència actual per a la càrrega continuada és petita, de manera que el temps de càrrega dels últims 30A·h no és significativament diferent. Per tant, dins del corrent de càrrega admissible de la bateria, augmentar el corrent de càrrega, tot i que es redueix la capacitat i l'energia que es pot carregar amb corrent constant, ajuda a reduir el temps de càrrega global. En aplicacions pràctiques del paquet de bateries, es pot utilitzar el corrent de càrrega màxim permès de la bateria d'ions de liti per a la càrrega i, després d'arribar al límit de tensió, es pot realitzar una càrrega de tensió constant. Això redueix el temps de càrrega alhora que garanteix la seguretat de la càrrega. Tanmateix, augmentar el corrent de càrrega també comportarà un augment de la pèrdua d'energia a causa de la resistència interna de la bateria. L'energia consumida en la resistència interna es calcula segons l'equació (3-4).

On E és l'energia consumida per la resistència interna;

r és la resistència interna de la bateria;

t és la variable del temps de càrrega;

I és el corrent de càrrega;

t₁ i t₂ són les hores d'inici i finalització de la càrrega.

Les proves exhaustives han demostrat que la resistència interna de les bateries{0}}d'ions de liti canvia en 0,4 mΩ durant la càrrega. Per tant, l'equació (3-4) mostra que el consum d'energia a causa de la resistència interna de la bateria està essencialment relacionat linealment amb el temps de càrrega, però quadràticament relacionat amb el corrent de càrrega. Durant l'etapa de càrrega de corrent constant, la magnitud del corrent de càrrega és el factor principal que influeix en el consum d'energia de la resistència interna; un corrent de càrrega més alt comporta un major consum d'energia. Durant l'etapa de tensió constant i corrent baixa, el temps de càrrega es converteix en el factor principal que influeix en el consum d'energia de la resistència interna; un temps de càrrega més llarg comporta un major consum d'energia. Tenint en compte tot el procés de càrrega, atès que el corrent de càrrega té una relació quadràtica amb el consum d'energia de resistència interna i és el principal factor que l'afecta, un corrent de càrrega més alt comporta un major consum d'energia de resistència interna. En aplicacions pràctiques de bateries, s'ha de seleccionar un corrent de càrrega adequat tenint en compte de manera exhaustiva tant el temps de càrrega com l'eficiència.

(2) Efecte de la profunditat de descàrrega sobre les característiques de càrrega Sota una temperatura constant de 20 graus, es va realitzar una prova de descàrrega en una bateria d'ions de liti NCM amb una capacitat nominal de 66,2 A·h. La bateria es va descarregar a una velocitat de 0,5 °C a diferents profunditats de descàrrega (DOD) (10%→100%), corresponent a un estat de càrrega (SOC) del 90%→0%. Les dades de tensió, corrent i capacitat es van registrar durant el procés de descàrrega. Després de descansar durant 60 minuts, la bateria es va carregar a una velocitat de 0,5 C (CC). Quan es va assolir la tensió de tall, el mode de càrrega es va canviar a tensió constant (CV). Quan el corrent era inferior a 0,05 C, el procés es va aturar i es van registrar dades de tensió, corrent i capacitat. Les dades rellevants es mostren a la taula 3-2. A la figura 3-13 es mostren les corbes de corrent de càrrega de la bateria d'ió de liti en diferents condicions de descàrrega.

Taula 3-2 Paràmetres de prova de càrrega a diferents profunditats de descàrrega

① -Energia carregada de capacitat igual: energia carregada amb el mateix canvi de SOC (p. ex., 10%). Per exemple: si la capacitat de càrrega al 90% DOD és de 30 W·h, l'energia carregada d'igual-capacitat és de 30W·h; si la capacitat de càrrega al 80% de DOD és de 50 W·h, l'energia carregada de la mateixa capacitat- és de 25 W·h.

② Energia descarregada de -capacitat igual: energia descarregada sota el mateix canvi de SOC (p. ex., 10%).

③ Temps mitjà de càrrega per unitat de capacitat/min: temps de càrrega/capacitat de càrrega.

De la taula 3-2 i la figura 3-13, es poden extreure les conclusions següents:

1) Amb l'augment de la profunditat de descàrrega, el temps de càrrega augmenta, però el temps de càrrega mitjà per unitat de capacitat disminueix, és a dir, l'augment del temps de càrrega no és proporcional a la profunditat de descàrrega.

2) Amb l'augment de la profunditat de descàrrega, augmenta la proporció del temps de càrrega de corrent constant al temps de càrrega total i augmenta la proporció de la capacitat de càrrega de corrent constant a la capacitat de càrrega requerida. En realitat, aquestes característiques es deuen principalment a dos factors: primer, una descàrrega més profunda requereix un temps més llarg per carregar completament la bateria; en segon lloc, una profunditat de descàrrega més profunda correspon a un rang de tensió més baix, donant lloc a que es carregui menys energia a la bateria en les mateixes condicions de corrent i temps de càrrega.

(3) Influència de la temperatura en les característiques de càrrega Les bateries d'ions de liti-es van carregar a diferents temperatures ambient. Prenent com a exemple una bateria d'ions de liti-NCM de 66,2 A·h, es va utilitzar un mètode de limitació de corrent i tensió constants. Els paràmetres de càrrega es van registrar amb el límit de corrent de càrrega d'1,3 A i 3,3 A, tal com es mostra a la taula 3-3. Amb el mateix corrent de descàrrega, la tensió de la bateria experimentarà una caiguda brusca, tal com es mostra a la figura 3-13. Tanmateix, com que la tensió continua sent relativament alta, l'energia de descàrrega encara és alta. En l'etapa inicial de descàrrega, l'energia consumida per la resistència interna de la bateria augmenta la temperatura de la bateria, millora l'activitat dels materials actius de la bateria d'ions de liti i augmenta la tensió de la bateria, augmentant així l'energia que es pot alliberar. A les etapes mitjanes i posteriors de la descàrrega, la tensió de la bateria disminueix i l'energia alliberada per unitat de temps disminueix en conseqüència.

A la mateixa temperatura i amb la mateixa tensió de terminació de descàrrega, diferents corrents de terminació de descàrrega donaran lloc a diferències en la capacitat i l'energia alliberada. Generalment, en condicions de temperatura normals, com més baix sigui el corrent, més gran serà la capacitat i l'energia alliberada. Com en l'experiment de descàrrega esmentat anteriorment, 0,2C allibera un 3,2% més de capacitat i energia que 1C.