الدليل الشامل لتحليل منحنى تفريغ بطارية الليثيوم أيون

اختبار الأداء الأكثر استخدامًا لبطارية الليثيوم أيون - استراتيجية تحليل منحنى التفريغ

عندما يتم تفريغ بطارية الليثيوم أيون، يتغير جهد عملها دائمًا باستمرار مع مرور الوقت. يتم استخدام جهد عمل البطارية كالإحداثي، أو وقت التفريغ، أو السعة، أو حالة الشحن (SOC)، أو عمق التفريغ (DOD) مثل الإحداثي، ويسمى المنحنى المرسوم بمنحنى التفريغ. لفهم منحنى خاصية التفريغ للبطارية، نحتاج أولاً إلى فهم جهد البطارية من حيث المبدأ.

[جهد البطارية]

لكي يتكون تفاعل القطب الكهربي يجب أن تتوافر الشروط التالية: يجب فصل عملية فقدان الإلكترون في التفاعل الكيميائي (أي عملية الأكسدة) وعملية الحصول على الإلكترون (أي عملية تفاعل الاختزال) في منطقتين مختلفتين، وهو يختلف عن رد فعل الأكسدة والاختزال العام. يجب أن ينتقل تفاعل الأكسدة والاختزال للمادة الفعالة لقطبين كهربائيين عن طريق الدائرة الخارجية، وهو يختلف عن تفاعل البطارية الصغيرة في عملية تآكل المعدن. جهد البطارية هو فرق الجهد بين القطب الموجب والقطب السالب. تشمل المعلمات الرئيسية المحددة جهد الدائرة المفتوحة، جهد التشغيل، جهد قطع الشحن والتفريغ، إلخ.

[إمكانات القطب الكهربائي لمواد بطارية الليثيوم أيون]

تشير إمكانات القطب إلى غمر مادة صلبة في محلول الإلكتروليت، مما يوضح التأثير الكهربائي، أي فرق الجهد بين سطح المعدن والمحلول. ويسمى هذا الفرق المحتمل بقدرة المعدن في المحلول أو بقدرة القطب. باختصار، جهد القطب هو ميل الأيون أو الذرة لاكتساب إلكترون.

لذلك، بالنسبة لقطب موجب معين أو مادة إلكترود سالب، عند وضعه في إلكتروليت مع ملح الليثيوم، يتم التعبير عن جهد القطب الخاص به على النحو التالي:

حيث φ c هي جهد القطب لهذه المادة. تم ضبط جهد قطب الهيدروجين القياسي على 0.0V.

[جهد الدائرة المفتوحة للبطارية]

القوة الدافعة الكهربائية للبطارية هي القيمة النظرية المحسوبة وفقًا لتفاعل البطارية باستخدام الطريقة الديناميكية الحرارية، أي أن الفرق بين جهد القطب الكهربائي المتوازن للبطارية والأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة عند انقطاع الدائرة هو القيمة القصوى أن البطارية يمكن أن تعطي الجهد. في الواقع، لا تكون الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة بالضرورة في حالة التوازن الديناميكي الحراري في المنحل بالكهرباء، أي أن جهد القطب الذي أنشأته الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة للبطارية في محلول الإلكتروليت لا يكون عادة جهد القطب المتوازن، وبالتالي فإن يكون جهد الدائرة المفتوحة للبطارية بشكل عام أصغر من قوتها الدافعة الكهربائية. لرد فعل القطب:

بالنظر إلى الحالة غير القياسية للمكون المتفاعل ونشاط (أو تركيز) المكون النشط مع مرور الوقت، يتم تعديل جهد الدائرة المفتوحة الفعلي للخلية بواسطة معادلة الطاقة:

حيث R هو ثابت الغاز، T هي درجة حرارة التفاعل، وa هو نشاط المكون أو تركيزه. يعتمد جهد الدائرة المفتوحة للبطارية على خصائص مادة القطب الموجب والسالب، والإلكتروليت وظروف درجة الحرارة، وهو مستقل عن هندسة البطارية وحجمها. يمكن إعداد مادة قطب الليثيوم أيون الكهربائي في القطب، والصفائح المعدنية الليثيوم المجمعة في بطارية نصف زر، قياس مادة القطب في حالة SOC مختلفة للجهد المفتوح، ومنحنى الجهد المفتوح هو تفاعل حالة شحن مادة القطب الكهربائي، وانخفاض الجهد المفتوح لتخزين البطارية، ولكن ليست كبيرة جدًا، إذا كان انخفاض الجهد المفتوح سريعًا جدًا أو كانت السعة ظاهرة غير طبيعية. يعد تغير الحالة السطحية للمواد النشطة ثنائية القطب والتفريغ الذاتي للبطارية من الأسباب الرئيسية لانخفاض جهد الدائرة المفتوحة في التخزين، بما في ذلك تغيير طبقة القناع لجدول مادة القطب الموجب والسالب؛ التغيير المحتمل الناجم عن عدم الاستقرار الديناميكي الحراري للقطب، وانحلال وترسيب الشوائب المعدنية الأجنبية، والدائرة القصيرة الدقيقة الناجمة عن الحجاب الحاجز بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية. عندما تتقدم بطارية أيون الليثيوم، فإن تغيير قيمة K (انخفاض الجهد) هو عملية تشكيل واستقرار فيلم SEI على سطح مادة القطب. إذا كان انخفاض الجهد كبيرًا جدًا، فستكون هناك دائرة قصر صغيرة بالداخل، وسيتم الحكم على البطارية بأنها غير مؤهلة.

[استقطاب البطارية]

عندما يمر التيار عبر القطب، فإن ظاهرة انحراف القطب عن جهد القطب المتوازن تسمى الاستقطاب، ويولد الاستقطاب الجهد الزائد. وبحسب أسباب الاستقطاب يمكن تقسيم الاستقطاب إلى استقطاب أومي، واستقطاب تركيز، واستقطاب كهروكيميائي. تين. الشكل 2 هو منحنى التفريغ النموذجي للبطارية وتأثير الاستقطاب المتنوع على الجهد.

 الشكل 1. منحنى التفريغ والاستقطاب النموذجي

(1) الاستقطاب الأومي: الناتج عن مقاومة كل جزء من أجزاء البطارية، وتتبع قيمة انخفاض الضغط قانون أوم، فيقل التيار، وينخفض ​​الاستقطاب فورًا، ويختفي التيار فور توقفه.

(2) الاستقطاب الكهروكيميائي: يحدث الاستقطاب بسبب التفاعل الكهروكيميائي البطيء على سطح القطب. لقد انخفض بشكل ملحوظ ضمن مستوى الميكروثانية حيث أصبح التيار أصغر.

(3) استقطاب التركيز: بسبب تأخر عملية انتشار الأيونات في المحلول، يستقطب فرق التركيز بين سطح القطب وجسم المحلول تحت تيار معين. يتناقص هذا الاستقطاب أو يختفي مع انخفاض التيار الكهربائي في الثواني العيانية (بضع ثوان إلى عشرات الثواني).

تزداد المقاومة الداخلية للبطارية مع زيادة تيار التفريغ للبطارية، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن تيار التفريغ الكبير يزيد من اتجاه استقطاب البطارية، وكلما زاد تيار التفريغ، كان اتجاه الاستقطاب أكثر وضوحًا، كما هو موضح في الشكل 2. وفقًا لقانون أوم: V=E0-IRT، مع زيادة المقاومة الكلية الداخلية RT، يتم تقليل الوقت اللازم لجهد البطارية للوصول إلى جهد قطع التفريغ بشكل مماثل، وبالتالي تكون سعة التحرير أيضًا مخفض.

الشكل 2. تأثير الكثافة الحالية على الاستقطاب

بطارية ليثيوم أيون هي في الأساس نوع من بطاريات تركيز أيون الليثيوم. عملية الشحن والتفريغ لبطارية الليثيوم أيون هي عملية تضمين وتجريد أيونات الليثيوم في الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة. تشمل العوامل التي تؤثر على استقطاب بطاريات الليثيوم أيون ما يلي:

(1) تأثير المنحل بالكهرباء: انخفاض الموصلية المنحل بالكهرباء هو السبب الرئيسي لاستقطاب بطاريات الليثيوم أيون. في نطاق درجة الحرارة العامة، تكون موصلية المنحل بالكهرباء المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون عمومًا 0.01~0.1S/cm فقط، وهو ما يمثل واحدًا بالمائة من المحلول المائي. لذلك، عندما يتم تفريغ بطاريات الليثيوم أيون بتيار مرتفع، يكون قد فات الأوان لتكملة Li + من المنحل بالكهرباء، وستحدث ظاهرة الاستقطاب. يعد تحسين موصلية المنحل بالكهرباء هو العامل الرئيسي لتحسين قدرة تفريغ التيار العالي لبطاريات الليثيوم أيون.

(2) تأثير المواد الإيجابية والسلبية: انتشار القناة الأطول للمواد الإيجابية والسلبية لجزيئات أيون الليثيوم الكبيرة إلى السطح، وهو ما لا يفضي إلى معدل تفريغ كبير.

(3) عامل الموصل: يعد محتوى العامل الموصل عاملاً مهمًا يؤثر على أداء التفريغ بنسبة عالية. إذا كان محتوى العامل الموصل في صيغة الكاثود غير كافٍ، فلا يمكن نقل الإلكترونات في الوقت المناسب عندما يتم تفريغ التيار الكبير، وتزداد المقاومة الداخلية للاستقطاب بسرعة، بحيث يتم تقليل جهد البطارية بسرعة إلى جهد قطع التفريغ .

(4) تأثير تصميم القطب: سمك القطب: في حالة التفريغ الحالي الكبير، تكون سرعة تفاعل المواد الفعالة سريعة جدًا، الأمر الذي يتطلب دمج أيون الليثيوم وفصله بسرعة في المادة. إذا كانت لوحة القطب سميكة وزاد مسار انتشار أيون الليثيوم، فإن اتجاه سمك القطب سوف ينتج تدرجًا كبيرًا في تركيز أيون الليثيوم.

كثافة الضغط: كثافة ضغط صفيحة القطب أكبر، ويصبح المسام أصغر، ويكون مسار حركة أيون الليثيوم في اتجاه سمك صفيحة القطب أطول. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت كثافة الضغط كبيرة جدًا، تنخفض منطقة الاتصال بين المادة والكهارل، وينخفض ​​موقع تفاعل القطب، وتزداد أيضًا المقاومة الداخلية للبطارية.

(5) تأثير غشاء SEI: يؤدي تكوين غشاء SEI إلى زيادة مقاومة واجهة القطب الكهربائي/الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تباطؤ الجهد أو الاستقطاب.

[جهد تشغيل البطارية]

يشير جهد التشغيل، المعروف أيضًا باسم جهد النهاية، إلى فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة للبطارية عندما يتدفق التيار في الدائرة في حالة العمل. في حالة عمل تفريغ البطارية، عندما يتدفق التيار عبر البطارية، يجب التغلب على المقاومة الناتجة عن المقاومة الداخلية، مما سيؤدي إلى انخفاض الضغط الأومي واستقطاب القطب، وبالتالي فإن جهد العمل يكون دائمًا أقل من جهد الدائرة المفتوحة، وعند الشحن، يكون الجهد النهائي دائمًا أعلى من جهد الدائرة المفتوحة. أي أن نتيجة الاستقطاب تجعل الجهد النهائي لتفريغ البطارية أقل من الجهد الدافع الكهربائي للبطارية، وهو أعلى من الجهد الدافع الكهربائي للبطارية المشحونة.

ونظراً لوجود ظاهرة الاستقطاب فإن الجهد اللحظي والجهد الفعلي في عملية الشحن والتفريغ. عند الشحن، يكون الجهد اللحظي أعلى قليلاً من الجهد الفعلي، ويختفي الاستقطاب وينخفض ​​الجهد عندما ينخفض ​​الجهد اللحظي والجهد الفعلي بعد التفريغ.

لتلخيص الوصف أعلاه، التعبير هو:

E +، E- - يمثلان إمكانات الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، على التوالي، E + 0 و E- -0 يمثلان إمكانات قطب التوازن للأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، على التوالي، يمثل VR جهد الاستقطاب الأومي، و η + ، η - -تمثل القدرة الزائدة للأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية، على التوالي.

[المبدأ الأساسي لاختبار التفريغ]

بعد الفهم الأساسي لجهد البطارية، بدأنا في تحليل منحنى التفريغ لبطاريات الليثيوم أيون. يعكس منحنى التفريغ بشكل أساسي حالة القطب، وهو تراكب تغيرات حالة الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة.

يمكن تقسيم منحنى الجهد لبطاريات الليثيوم أيون طوال عملية التفريغ إلى ثلاث مراحل

1) في المرحلة الأولية للبطارية، ينخفض ​​الجهد بسرعة، وكلما زاد معدل التفريغ، كلما انخفض الجهد بشكل أسرع؛

2) يدخل جهد البطارية في مرحلة تغيير بطيئة، وهي ما تسمى بمنطقة منصة البطارية. كلما قل معدل التفريغ

كلما طالت مدة منطقة المنصة، زاد جهد المنصة، وكان انخفاض الجهد أبطأ.

3) عندما تقترب طاقة البطارية من الانتهاء، يبدأ جهد حمل البطارية في الانخفاض بشكل حاد حتى يتم الوصول إلى جهد إيقاف التفريغ.

أثناء الاختبار، هناك طريقتان لجمع البيانات

(1) جمع بيانات التيار والجهد والوقت وفقًا للفاصل الزمني المحدد Δ t؛

(2) قم بجمع بيانات التيار والجهد والوقت وفقًا لفرق تغيير الجهد المحدد Δ V. تتضمن دقة معدات الشحن والتفريغ بشكل أساسي الدقة الحالية ودقة الجهد ودقة الوقت. يوضح الجدول 2 معلمات المعدات الخاصة بآلة شحن وتفريغ معينة، حيث تمثل % FS النسبة المئوية للنطاق الكامل، ويشير 0.05% RD إلى الخطأ المقاس ضمن نطاق 0.05% من القراءة. تستخدم معدات الشحن والتفريغ عمومًا مصدر تيار ثابت CNC بدلاً من مقاومة الحمل للحمل، بحيث لا علاقة لجهد الخرج للبطارية بمقاومة السلسلة أو المقاومة الطفيلية في الدائرة، ولكنه يرتبط فقط بالجهد E والمقاومة الداخلية r وتيار الدائرة I لمصدر الجهد المثالي المكافئ للبطارية. إذا تم استخدام المقاومة للحمل، فاضبط جهد مصدر الجهد المثالي للبطارية بما يعادل E، والمقاومة الداخلية هي r، ومقاومة الحمل هي R. قم بقياس الجهد عند طرفي مقاومة الحمل بالجهد متر، كما هو مبين في الشكل أعلاه في الشكل 6. ومع ذلك، في الممارسة العملية، هناك مقاومة الرصاص ومقاومة الاتصال الثابتة (مقاومة طفيلية موحدة) في الدائرة. مخطط الدائرة المكافئة الموضح في الشكل. 3 يظهر في الشكل التالي من الشكل. 3. في الممارسة العملية، يتم حتما إدخال المقاومة الطفيلية، بحيث تصبح مقاومة الحمل الإجمالية كبيرة، ولكن الجهد المقاس هو الجهد عند طرفي مقاومة الحمل R، لذلك يتم تقديم الخطأ.

 الشكل 3: مخطط الكتلة الأساسي ومخطط الدائرة المكافئ الفعلي لطريقة تفريغ المقاومة

عندما يتم استخدام مصدر التيار الثابت مع التيار I1 كحمل، يظهر الرسم التخطيطي ومخطط الدائرة المكافئة الفعلي في الشكل 7. E، I1 هي قيم ثابتة وr ثابتة لفترة معينة.

من الصيغة المذكورة أعلاه، يمكننا أن نرى أن الجهدين A وB ثابتان، أي أن جهد الخرج للبطارية لا يرتبط بحجم المقاومة المتسلسلة في الحلقة، وبالطبع ليس له علاقة مع المقاومة الطفيلية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحقق وضع القياس ذو الأربعة أطراف قياسًا أكثر دقة لجهد خرج البطارية.

الشكل 4: مخطط كتلة متساوي ومخطط دائرة مكافئ فعلي لحمل مصدر تيار مستمر

المصدر المتزامن هو جهاز إمداد بالطاقة يمكنه توفير تيار ثابت للحمل. لا يزال بإمكانه الحفاظ على تيار الإخراج ثابتًا عندما يتقلب مصدر الطاقة الخارجي وتتغير خصائص المعاوقة.

[وضع اختبار التفريغ]

تستخدم معدات اختبار الشحن والتفريغ بشكل عام جهاز أشباه الموصلات كعنصر التدفق. من خلال ضبط إشارة التحكم لجهاز أشباه الموصلات، يمكنه محاكاة حمل من خصائص مختلفة مثل التيار المستمر والضغط المستمر والمقاومة الثابتة وما إلى ذلك. يشتمل وضع اختبار تفريغ بطارية الليثيوم أيون بشكل أساسي على تفريغ تيار مستمر، وتفريغ مقاومة ثابتة، وتفريغ ثابت للطاقة، وما إلى ذلك. في كل وضع تفريغ، يمكن أيضًا تقسيم التفريغ المستمر والتفريغ الفاصل، حيث وفقًا لطول الوقت، يمكن تقسيم التفريغ الفاصل إلى تفريغ متقطع وتفريغ نبضي. أثناء اختبار التفريغ، يتم تفريغ البطارية وفقًا للوضع المحدد، وتتوقف عن التفريغ بعد الوصول إلى الظروف المحددة. تتضمن شروط قطع التفريغ ضبط قطع الجهد، وضبط قطع الوقت، وضبط قطع السعة، وضبط قطع تدرج الجهد السلبي، وما إلى ذلك. ويرتبط تغيير جهد تفريغ البطارية بنظام التفريغ، الذي أي أن تغيير منحنى التفريغ يتأثر أيضًا بنظام التفريغ، بما في ذلك: تيار التفريغ، ودرجة حرارة التفريغ، وجهد إنهاء التفريغ؛ التفريغ المتقطع أو المستمر. كلما زاد تيار التفريغ، كلما انخفض جهد التشغيل بشكل أسرع؛ مع درجة حرارة التفريغ، يتغير منحنى التفريغ بلطف.

(1) التفريغ الحالي المستمر

عند التفريغ الحالي المستمر، يتم تعيين القيمة الحالية، ثم يتم الوصول إلى القيمة الحالية عن طريق ضبط مصدر التيار الثابت باستخدام الحاسب الآلي، وذلك لتحقيق التفريغ الحالي المستمر للبطارية. وفي الوقت نفسه، يتم جمع تغير الجهد النهائي للبطارية للكشف عن خصائص تفريغ البطارية. التفريغ الحالي المستمر هو تفريغ نفس تيار التفريغ، لكن جهد البطارية يستمر في الانخفاض، وبالتالي تستمر الطاقة في الانخفاض. الشكل 5 هو منحنى الجهد والتيار لتفريغ التيار المستمر لبطاريات الليثيوم أيون. بسبب التفريغ الحالي المستمر، يتم تحويل محور الوقت بسهولة إلى محور السعة (منتج التيار والوقت). يوضح الشكل 5 منحنى سعة الجهد عند تفريغ التيار المستمر. التفريغ الحالي المستمر هو طريقة التفريغ الأكثر استخدامًا في اختبارات بطارية الليثيوم أيون.

الشكل 5: شحن الجهد المستمر للتيار المستمر ومنحنيات تفريغ التيار المستمر بمعدلات مضاعفة مختلفة

(2) تفريغ الطاقة المستمر

عندما يتم تفريغ الطاقة الثابتة، يتم تعيين قيمة طاقة الطاقة الثابتة P أولاً، ويتم جمع جهد الخرج U للبطارية. في عملية التفريغ، يجب أن يكون P ثابتًا، لكن U يتغير باستمرار، لذلك من الضروري ضبط التيار I بشكل مستمر لمصدر التيار الثابت CNC وفقًا للصيغة I = P / U لتحقيق غرض التفريغ المستمر للطاقة . حافظ على طاقة التفريغ دون تغيير، لأن جهد البطارية يستمر في الانخفاض أثناء عملية التفريغ، وبالتالي يستمر التيار في تفريغ الطاقة المستمر في الارتفاع. بسبب التفريغ المستمر للطاقة، يتم تحويل محور الإحداثيات الزمنية بسهولة إلى محور إحداثيات الطاقة (منتج الطاقة والوقت).

الشكل 6: منحنيات شحن وتفريغ الطاقة الثابتة بمعدلات مضاعفة مختلفة

مقارنة بين التفريغ الحالي المستمر والتفريغ المستمر للطاقة

الشكل 7: (أ) مخطط قدرة الشحن والتفريغ بنسب مختلفة؛ (ب) منحنى الشحن والتفريغ

 ويبين الشكل 7 نتائج اختبارات نسبة الشحن والتفريغ المختلفة في الوضعين بطارية ليثيوم فوسفات الحديد. وفقا لمنحنى القدرة في الشكل. في الشكل 7 (أ)، مع زيادة تيار الشحن والتفريغ في الوضع الحالي الثابت، تتناقص قدرة الشحن والتفريغ الفعلية للبطارية تدريجيًا، ولكن نطاق التغيير صغير نسبيًا. تتناقص سعة الشحن والتفريغ الفعلية للبطارية تدريجيًا مع زيادة الطاقة، وكلما زاد المضاعف، كلما كان تضاؤل ​​السعة أسرع. قدرة التفريغ بمعدل ساعة واحدة أقل من وضع التدفق الثابت. في الوقت نفسه، عندما يكون معدل الشحن والتفريغ أقل من معدل 1 ساعات، تكون سعة البطارية أعلى في ظل حالة الطاقة الثابتة، في حين أن سعة البطارية أعلى من معدل 5 ساعات أعلى في ظل الحالة الحالية الثابتة.

من الشكل 7 (ب) يوضح منحنى السعة والجهد، في حالة النسبة المنخفضة، وبطارية ليثيوم فوسفات الحديد في وضعين منحنى السعة والجهد، وتغيير منصة جهد الشحن والتفريغ ليس كبيرًا، ولكن في حالة النسبة العالية، وضع الجهد المستمر الحالي لوقت الجهد المستمر أطول بكثير، وزادت منصة شحن الجهد بشكل كبير، وتم تقليل منصة جهد التفريغ بشكل كبير.

(3) تفريغ المقاومة المستمر

عند تفريغ المقاومة الثابتة، يتم تعيين قيمة مقاومة ثابتة R أولاً لتجميع جهد الخرج للبطارية U. أثناء عملية التفريغ، يجب أن تكون R ثابتة، ولكن U تتغير باستمرار، وبالتالي فإن قيمة التيار I للتيار الثابت CNC يجب تعديل المصدر باستمرار وفقًا للصيغة I=U / R لتحقيق غرض تفريغ المقاومة المستمر. يتناقص جهد البطارية دائمًا أثناء عملية التفريغ، والمقاومة هي نفسها، وبالتالي فإن تيار التفريغ I هو أيضًا عملية متناقصة.

(4) التفريغ المستمر والتفريغ المتقطع والتفريغ النبضي

يتم تفريغ البطارية بتيار ثابت وطاقة ثابتة ومقاومة ثابتة، أثناء استخدام وظيفة التوقيت لتحقيق التحكم في التفريغ المستمر والتفريغ المتقطع وتفريغ النبض. يوضح الشكل 11 منحنيات التيار ومنحنيات الجهد لاختبار الشحن / التفريغ النبضي النموذجي.

الشكل 8: المنحنيات الحالية ومنحنيات الجهد لاختبارات تفريغ الشحنة النبضية النموذجية

[المعلومات المدرجة في منحنى التفريغ]

يشير منحنى التفريغ إلى منحنى الجهد والتيار والسعة والتغيرات الأخرى للبطارية بمرور الوقت أثناء عملية التفريغ. المعلومات الواردة في منحنى الشحن والتفريغ غنية جدًا، بما في ذلك السعة والطاقة وجهد التشغيل ومنصة الجهد، والعلاقة بين جهد القطب وحالة الشحن، وما إلى ذلك. البيانات الرئيسية المسجلة أثناء اختبار التفريغ هي الوقت تطور التيار والجهد. يمكن الحصول على العديد من المعلمات من هذه البيانات الأساسية. فيما يلي تفاصيل المعلمات التي يمكن الحصول عليها عن طريق منحنى التفريغ.

(1) الجهد

في اختبار تفريغ بطارية أيون الليثيوم، تشتمل معلمات الجهد بشكل أساسي على منصة الجهد، والجهد المتوسط، والجهد المتوسط، والجهد المقطوع، وما إلى ذلك. جهد المنصة هو قيمة الجهد المقابلة عندما يكون تغيير الجهد في حده الأدنى ويكون تغيير السعة كبيرًا ، والتي يمكن الحصول عليها من قيمة الذروة dQ / dV. الجهد المتوسط ​​هو قيمة الجهد المقابلة لنصف سعة البطارية. بالنسبة للمواد الأكثر وضوحًا على المنصة، مثل فوسفات حديد الليثيوم وتيتانات الليثيوم، فإن الجهد المتوسط ​​هو جهد المنصة. متوسط ​​الجهد هو المساحة الفعالة لمنحنى سعة الجهد (أي طاقة تفريغ البطارية) مقسومًا على صيغة حساب السعة u = U (t) * I (t) dt / I (t) dt. يشير جهد القطع إلى الحد الأدنى من الجهد المسموح به عند تفريغ البطارية. إذا كان الجهد أقل من جهد قطع التفريغ، فإن الجهد عند طرفي البطارية سينخفض ​​بسرعة، مما يشكل تفريغًا مفرطًا. قد يؤدي التفريغ الزائد إلى إتلاف المادة الفعالة للقطب الكهربائي، وفقدان القدرة على التفاعل، وتقصير عمر البطارية. كما هو موضح في الجزء الأول، يرتبط جهد البطارية بحالة شحن مادة الكاثود وإمكانات القطب.

(2) القدرة والقدرة المحددة

تشير سعة البطارية إلى كمية الكهرباء الصادرة عن البطارية تحت نظام تفريغ معين (تحت تيار تفريغ معين I، درجة حرارة التفريغ T، جهد قطع التفريغ V)، مما يشير إلى قدرة البطارية على تخزين الطاقة في Ah أو C تتأثر السعة بعدة عناصر مثل تيار التفريغ ودرجة حرارة التفريغ وغيرها، ويتم تحديد حجم السعة من خلال كمية المواد الفعالة في الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة.

القدرة النظرية : هي القدرة التي تعطيها المادة الفعالة في التفاعل .

السعة الفعلية: السعة الفعلية المفرج عنها بموجب نظام تفريغ معين.

السعة المقدرة: تشير إلى الحد الأدنى من الطاقة التي تضمنها البطارية في ظل ظروف التفريغ المصممة.

في اختبار التفريغ، يتم حساب السعة من خلال دمج التيار مع مرور الوقت، أي C = I (t) dt، التيار المستمر في t التفريغ المستمر، C = I (t) dt = I t؛ مقاومة ثابتة R التفريغ، C = I (t) dt = (1 / R) * U (t) dt (1 / R) * خارج (u هو متوسط ​​جهد التفريغ، t هو وقت التفريغ).

سعة محددة: من أجل مقارنة البطاريات المختلفة، تم تقديم مفهوم السعة المحددة. تشير السعة النوعية إلى السعة التي تعطيها المادة الفعالة لوحدة الكتلة أو قطب وحدة الحجم، والتي تسمى السعة النوعية للكتلة أو السعة النوعية للحجم. طريقة الحساب المعتادة هي: السعة النوعية = سعة التفريغ الأول للبطارية / (كتلة المادة الفعالة * معدل استخدام المادة الفعالة)

العوامل المؤثرة على سعة البطارية:

أ. تيار تفريغ البطارية: كلما زاد التيار، انخفضت قدرة الإخراج؛

ب. درجة حرارة تفريغ البطارية: عندما تنخفض درجة الحرارة، تنخفض قدرة الإخراج؛

ج. جهد قطع التفريغ للبطارية: وقت التفريغ الذي تحدده مادة القطب والحد الأقصى لتفاعل القطب نفسه هو بشكل عام 3.0 فولت أو 2.75 فولت.

د. أوقات شحن وتفريغ البطارية: بعد شحن البطارية وتفريغها عدة مرات، بسبب فشل مادة القطب الكهربائي، ستتمكن البطارية من تقليل سعة تفريغ البطارية.

ه. ظروف شحن البطارية: معدل الشحن، درجة الحرارة، جهد القطع يؤثر على قدرة البطارية، وبالتالي تحديد قدرة التفريغ.

 طريقة تحديد سعة البطارية:

الصناعات المختلفة لديها معايير اختبار مختلفة وفقا لظروف العمل. بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون لمنتجات 3C، وفقًا للمعيار الوطني GB / T18287-2000 للمواصفات العامة لبطاريات الليثيوم أيون للهاتف الخلوي، فإن طريقة اختبار السعة المقدرة للبطارية هي كما يلي: أ) الشحن: شحن 0.2C5A؛ ب) التفريغ: تفريغ 0.2C5A؛ ج) خمس دورات، واحدة منها مؤهلة.

بالنسبة لصناعة السيارات الكهربائية، وفقًا للمعيار الوطني GB / T 31486-2015 لمتطلبات الأداء الكهربائي وطرق الاختبار لبطارية الطاقة للمركبات الكهربائية، تشير السعة المقدرة للبطارية إلى السعة (Ah) الصادرة عن البطارية في درجة حرارة الغرفة مع تفريغ تيار 1I1 (A) للوصول إلى جهد الإنهاء، حيث I1 هو تيار تفريغ بمعدل ساعة واحدة، وقيمته تساوي C1 (A). طريقة الاختبار هي:

أ) في درجة حرارة الغرفة، أوقف الجهد الثابت عند الشحن بتيار ثابت للشحن إلى جهد إنهاء الشحن المحدد من قبل المؤسسة، وأوقف الشحن عندما ينخفض ​​تيار إنهاء الشحن إلى 0.05I1 (A)، واستمر في الشحن لمدة ساعة واحدة بعد ذلك الشحن.

ب) في درجة حرارة الغرفة، يتم تفريغ البطارية بتيار 1I1 (A) حتى يصل التفريغ إلى جهد إنهاء التفريغ المحدد في الشروط الفنية للمؤسسة؛

ج) قدرة التفريغ المقاسة (تقاس بـ Ah)، وحساب طاقة التفريغ المحددة (تقاس بـ Wh/kg)؛

3 د) كرر الخطوات أ) -) ج) 5 مرات. عندما يكون الفرق الشديد بين 3 اختبارات متتالية أقل من 3% من السعة المقدرة، يمكن إنهاء الاختبار مسبقًا ويمكن حساب متوسط ​​نتائج الاختبارات الثلاثة الأخيرة.

(3) حالة التهمة، شركة نفط الجنوب

SOC (حالة الشحن) هي حالة شحن، تمثل نسبة السعة المتبقية للبطارية إلى حالة الشحن الكاملة بعد فترة من الزمن أو فترة طويلة تحت معدل تفريغ معين. تستخدم طريقة "جهد الدائرة المفتوحة + تكامل وقت الساعة" طريقة جهد الدائرة المفتوحة لتقدير سعة شحن الحالة الأولية للبطارية، ثم تستخدم طريقة تكامل وقت الساعة للحصول على الطاقة التي يستهلكها - طريقة التكامل الزمني . الطاقة المستهلكة هي نتاج تيار التفريغ ووقت التفريغ، والطاقة المتبقية تساوي الفرق بين الطاقة الأولية والطاقة المستهلكة. التقدير الرياضي SOC بين جهد الدائرة المفتوحة وتكامل الساعة هو:

حيث CN هي السعة المقدرة؛ η هي كفاءة تفريغ الشحنة؛ T هي درجة حرارة استخدام البطارية؛ أنا هو تيار البطارية. t هو وقت تفريغ البطارية.

DOD (عمق التفريغ) هو عمق التفريغ، وهو مقياس لدرجة التفريغ، وهي النسبة المئوية لقدرة التفريغ إلى إجمالي قدرة التفريغ. لعمق التفريغ علاقة كبيرة بعمر البطارية: فكلما زاد عمق التفريغ، قل العمر الافتراضي. يتم حساب العلاقة لـ SOC = 100% -DOD

4) الطاقة والطاقة النوعية

تسمى الطاقة الكهربائية التي يمكن أن تنتجها البطارية عن طريق القيام بعمل خارجي في ظل ظروف معينة طاقة البطارية، ويتم التعبير عن الوحدة بشكل عام بـ wh. في منحنى التفريغ، يتم حساب الطاقة على النحو التالي: W = U (t) * I (t) dt. عند التفريغ الحالي المستمر، W = I * U (t) dt = It * u (u هو متوسط ​​جهد التفريغ، t هو وقت التفريغ)

أ. الطاقة النظرية

تكون عملية تفريغ البطارية في حالة توازن، ويحافظ جهد التفريغ على قيمة القوة الدافعة الكهربائية (E)، ويبلغ معدل استخدام المادة الفعالة 100%. في ظل هذه الحالة، تكون الطاقة الخارجة للبطارية هي الطاقة النظرية، أي أقصى عمل تقوم به البطارية القابلة للعكس تحت درجة حرارة وضغط ثابتين.

ب. الطاقة الفعلية

تسمى الطاقة الناتجة الفعلية لتفريغ البطارية الطاقة الفعلية، ولوائح صناعة المركبات الكهربائية ("GB / T 31486-2015 متطلبات الأداء الكهربائي لبطارية الطاقة وطرق الاختبار للمركبات الكهربائية")، والبطارية في درجة حرارة الغرفة مع 1I1 (A ) التفريغ الحالي، للوصول إلى الطاقة (Wh) الصادرة عن جهد الإنهاء، تسمى الطاقة المقدرة.

ج. محددة في مجال الطاقة

تسمى الطاقة التي توفرها البطارية لكل وحدة كتلة ولكل وحدة حجم طاقة محددة للكتلة أو طاقة محددة للحجم، وتسمى أيضًا كثافة الطاقة. بوحدات wh/kg أو wh/L.

[الشكل الأساسي لمنحنى التفريغ]

الشكل الأساسي لمنحنى التفريغ هو منحنى الجهد والوقت والوقت الحالي. من خلال تحويل حساب المحور الزمني، يحتوي منحنى التفريغ المشترك أيضًا على منحنى سعة الجهد (سعة محددة)، ومنحنى طاقة الجهد (طاقة محددة)، ومنحنى الجهد-SOC وما إلى ذلك.

(1) منحنى الجهد والوقت والوقت الحالي

الشكل 9: منحنيات الجهد والوقت والوقت الحالي

(2) منحنى قدرة الجهد

الشكل 10: منحنى سعة الجهد

(3) منحنى الجهد والطاقة

الشكل رقم 11. منحنى الجهد والطاقة

[الوثائق المرجعية]

• وانغ تشاو، وآخرون. مقارنة خصائص الشحن والتفريغ للتيار الثابت والطاقة الثابتة في أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية [J]. علوم وتكنولوجيا تخزين الطاقة.2017(06):1313-1320.
• Eom KS، Joshi T، Bordes A، et al. تصميم بطارية ليثيوم أيون كاملة الخلية باستخدام السيليكون النانوي وأنود مركب الجرافين متعدد الطبقات النانوي [J]
• قوه جيبنغ، وآخرون. مقارنة خصائص اختبار الطاقة الحالية والثابتة لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم [J]. بطارية تخزين.2017 (03): 109-115
• Marinaro M، Yoon D، Gabrielli G، وآخرون. النموذج الأولي لسبائك Si/Graphite عالي الأداء 1.2 Ah | LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 بطارية ليثيوم أيون[J]. مجلة مصادر الطاقة.2017،357 (الملحق ج): 188-197.