تئوری شارژ و دشارژ لیتیوم و طراحی روش محاسبه برق (1)

1. مقدمه ای بر باتری لیتیوم یون

1.1 وضعیت شارژ (SOC)

حالت شارژ را می توان به عنوان وضعیت انرژی الکتریکی موجود در باتری تعریف کرد که معمولاً به صورت درصد بیان می شود.از آنجایی که انرژی الکتریکی موجود با جریان شارژ و تخلیه، دما و پدیده پیری متفاوت است، تعریف حالت شارژ نیز به دو نوع تقسیم می‌شود: حالت شارژ مطلق (ASOC) و حالت نسبی شارژ (RSOC). .

به طور کلی، محدوده حالت نسبی شارژ 0٪ - 100٪ است، در حالی که زمانی که باتری کاملاً شارژ می شود، 100٪ و زمانی که کاملاً تخلیه می شود 0٪ است.حالت مطلق شارژ یک مقدار مرجع است که با توجه به مقدار ظرفیت ثابت طراحی شده هنگام تولید باتری محاسبه می شود.وضعیت مطلق شارژ باتری جدید کاملاً شارژ شده 100٪ است.حتی اگر باتری قدیمی کاملاً شارژ شود، در شرایط مختلف شارژ و دشارژ نمی تواند به 100٪ برسد.

شکل زیر رابطه بین ولتاژ و ظرفیت باتری در نرخ های دشارژ مختلف را نشان می دهد.هر چه میزان دشارژ بیشتر باشد ظرفیت باتری کمتر است.هنگامی که دما پایین است، ظرفیت باتری نیز کاهش می یابد.

شکل 1. رابطه بین ولتاژ و ظرفیت تحت نرخ های دشارژ و دماهای مختلف

1.2 حداکثر ولتاژ شارژ

حداکثر ولتاژ شارژ به ترکیب شیمیایی و ویژگی های باتری مربوط می شود.ولتاژ شارژ باتری لیتیومی معمولاً 4.2 ولت و 4.35 ولت است و مقادیر ولتاژ مواد کاتد و آند متفاوت خواهد بود.

1.3 کاملا شارژ

هنگامی که اختلاف بین ولتاژ باتری و حداکثر ولتاژ شارژ کمتر از 100 میلی ولت باشد و جریان شارژ به C/10 کاهش یابد، باتری را می توان به عنوان شارژ کامل در نظر گرفت.شرایط شارژ کامل با ویژگی های باتری متفاوت است.

شکل زیر یک منحنی مشخصه شارژ باتری لیتیومی را نشان می دهد.هنگامی که ولتاژ باتری برابر با حداکثر ولتاژ شارژ باشد و جریان شارژ به C/10 کاهش یابد، باتری کاملاً شارژ شده تلقی می شود.

شکل 2. منحنی مشخصه شارژ باتری لیتیومی

1.4 حداقل ولتاژ تخلیه

حداقل ولتاژ تخلیه را می توان با ولتاژ تخلیه قطعی تعریف کرد که معمولاً ولتاژ زمانی است که حالت شارژ 0٪ باشد.این مقدار ولتاژ یک مقدار ثابت نیست، بلکه با بار، دما، درجه پیری یا عوامل دیگر تغییر می کند.

1.5 تخلیه کامل

هنگامی که ولتاژ باتری کمتر یا مساوی با حداقل ولتاژ تخلیه باشد، می توان آن را تخلیه کامل نامید.

1.6 نرخ شارژ و دشارژ (C-Rate)

نرخ شارژ-دشارژ نمایشی از جریان شارژ-دشارژ نسبت به ظرفیت باتری است.به عنوان مثال، اگر از 1C برای تخلیه به مدت یک ساعت استفاده کنید، در حالت ایده آل، باتری کاملاً تخلیه می شود.نرخ های مختلف شارژ-تخلیه باعث ایجاد ظرفیت قابل استفاده متفاوت می شود.به طور کلی، هر چه نرخ شارژ-تخلیه بالاتر باشد، ظرفیت موجود کمتر است.

1.7 چرخه عمر

تعداد چرخه ها به تعداد شارژ و دشارژ کامل یک باتری اشاره دارد که می توان آن را با ظرفیت تخلیه واقعی و ظرفیت طراحی تخمین زد.هنگامی که ظرفیت تخلیه انباشته برابر با ظرفیت طراحی باشد، تعداد سیکل ها باید یک سیکل باشد.به طور کلی، پس از 500 چرخه شارژ-دشارژ، ظرفیت باتری کاملاً شارژ شده 10٪ تا 20٪ کاهش می یابد.

شکل 3. رابطه بین زمان چرخه و ظرفیت باتری

1.8 خود تخلیه

با افزایش دما، خود تخلیه تمام باتری ها افزایش می یابد.خود تخلیه اساساً یک نقص ساخت نیست، بلکه ویژگی های خود باتری است.با این حال، درمان نامناسب در فرآیند تولید نیز باعث افزایش خود تخلیه می شود.به طور کلی، با افزایش دمای باتری به میزان 10 درجه سانتیگراد، سرعت خود تخلیه دو برابر می شود. ظرفیت خود تخلیه باتری های لیتیوم یونی حدود 1-2٪ در ماه است، در حالی که ظرفیت باتری های مختلف مبتنی بر نیکل 10- است. 15 درصد در ماه

شکل 4. عملکرد نرخ خود تخلیه باتری لیتیومی در دماهای مختلف