راهنمای جامع تجزیه و تحلیل منحنی تخلیه باتری لیتیوم یون

متداول ترین تست عملکرد باتری لیتیوم یون - استراتژی تجزیه و تحلیل منحنی تخلیه

هنگامی که باتری لیتیوم یون تخلیه می شود، ولتاژ کاری آن همیشه با ادامه زمان تغییر می کند. ولتاژ کار باتری به عنوان اردینات، زمان تخلیه یا ظرفیت یا حالت شارژ (SOC) یا عمق تخلیه (DOD) به عنوان آبسیسا استفاده می شود و منحنی رسم شده را منحنی دشارژ می نامند. برای درک منحنی مشخصه دشارژ باتری، ابتدا باید ولتاژ باتری را در اصل بدانیم.

[ولتاژ باتری]

برای تشکیل واکنش الکترود، باتری باید شرایط زیر را داشته باشد: فرآیند از دست دادن الکترون در واکنش شیمیایی (یعنی فرآیند اکسیداسیون) و فرآیند به دست آوردن الکترون (یعنی فرآیند واکنش کاهش) باید در دو ناحیه مختلف از هم جدا شوند. که با واکنش ردوکس عمومی متفاوت است. واکنش ردوکس ماده فعال دو الکترود باید توسط مدار خارجی منتقل شود که با واکنش میکروباتری در فرآیند خوردگی فلز متفاوت است. ولتاژ باتری اختلاف پتانسیل بین الکترود مثبت و الکترود منفی است. پارامترهای کلیدی خاص شامل ولتاژ مدار باز، ولتاژ کاری، ولتاژ قطع شارژ و دشارژ و غیره است.

[پتانسیل الکترود مواد باتری لیتیوم یون]

پتانسیل الکترود به غوطه ور شدن یک ماده جامد در محلول الکترولیت اشاره دارد که اثر الکتریکی را نشان می دهد، یعنی اختلاف پتانسیل بین سطح فلز و محلول. این اختلاف پتانسیل را پتانسیل فلز در محلول یا پتانسیل الکترود می نامند. به طور خلاصه، پتانسیل الکترود تمایل یک یون یا اتم برای بدست آوردن الکترون است.

بنابراین، برای یک الکترود مثبت خاص یا ماده الکترود منفی، وقتی در یک الکترولیت با نمک لیتیوم قرار می گیرد، پتانسیل الکترود آن به صورت زیر بیان می شود:

جایی که φ c پتانسیل الکترود این ماده است. پتانسیل استاندارد الکترود هیدروژن 0.0 ولت تنظیم شد.

[ولتاژ مدار باز باتری]

نیروی الکتروموتور باتری مقدار نظری است که بر اساس واکنش باتری با استفاده از روش ترمودینامیکی محاسبه می شود، یعنی اختلاف پتانسیل الکترود تعادلی باتری و الکترودهای مثبت و منفی در هنگام قطع مدار حداکثر مقدار است. که باتری می تواند ولتاژ بدهد. در واقع، الکترودهای مثبت و منفی لزوماً در حالت تعادل ترمودینامیکی در الکترولیت نیستند، یعنی پتانسیل الکترود ایجاد شده توسط الکترودهای مثبت و منفی باتری در محلول الکترولیت معمولاً پتانسیل الکترود تعادلی نیست، بنابراین ولتاژ مدار باز باتری معمولاً کمتر از نیروی محرکه آن است. برای واکنش الکترود:

با در نظر گرفتن حالت غیر استاندارد جزء واکنش دهنده و فعالیت (یا غلظت) جزء فعال در طول زمان، ولتاژ مدار باز واقعی سلول توسط معادله انرژی اصلاح می شود:

در جایی که R ثابت گاز است، T دمای واکنش و a فعالیت یا غلظت جزء است. ولتاژ مدار باز باتری به خواص مواد الکترود مثبت و منفی، الکترولیت و شرایط دما بستگی دارد و مستقل از هندسه و اندازه باتری است. آماده سازی مواد الکترود یون لیتیوم در قطب، و ورق فلزی لیتیوم مونتاژ شده در نیمه باتری دکمه، می تواند مواد الکترود را در حالت SOC مختلف ولتاژ باز اندازه گیری کند، منحنی ولتاژ باز واکنش حالت شارژ مواد الکترود، افت ولتاژ باز ذخیره سازی باتری است، اما خیلی بزرگ نیست، اگر افت ولتاژ باز خیلی سریع یا دامنه پدیده غیر طبیعی باشد. تغییر حالت سطحی مواد فعال دوقطبی و خود تخلیه باتری از دلایل اصلی کاهش ولتاژ مدار باز در ذخیره سازی از جمله تغییر لایه ماسک جدول مواد الکترود مثبت و منفی است. تغییر پتانسیل ناشی از ناپایداری ترمودینامیکی الکترود، انحلال و رسوب ناخالصی های خارجی فلز و اتصال کوتاه میکرو ناشی از دیافراگم بین الکترودهای مثبت و منفی. هنگامی که باتری لیتیوم یون در حال پیر شدن است، تغییر مقدار K (افت ولتاژ) فرآیند تشکیل و پایداری فیلم SEI روی سطح ماده الکترود است. اگر افت ولتاژ خیلی زیاد باشد، یک اتصال کوتاه میکرو در داخل وجود دارد و باتری غیرقابل ارزیابی است.

[قطبی شدن باتری]

هنگامی که جریان از الکترود عبور می کند، به پدیده ای که الکترود از پتانسیل الکترود تعادلی منحرف می شود، پلاریزاسیون می گویند و پلاریزاسیون، مازاد پتانسیل را ایجاد می کند. با توجه به علل پلاریزاسیون، پلاریزاسیون را می توان به قطبش اهمی، قطبش غلظت و قطبش الکتروشیمیایی تقسیم کرد. شکل. 2 منحنی تخلیه معمولی باتری و تأثیر قطبش های مختلف بر ولتاژ است.

 شکل 1. منحنی دبی و پلاریزاسیون معمولی

(1) قطبش اهمی: ناشی از مقاومت هر قسمت از باتری، مقدار افت فشار از قانون اهم پیروی می کند، جریان کاهش می یابد، قطبش بلافاصله کاهش می یابد و جریان بلافاصله پس از توقف ناپدید می شود.

(2) پلاریزاسیون الکتروشیمیایی: پلاریزاسیون توسط واکنش الکتروشیمیایی آهسته روی سطح الکترود ایجاد می شود. به طور قابل توجهی در سطح میکروثانیه با کوچکتر شدن جریان کاهش یافت.

(3) قطبش غلظت: به دلیل تاخیر در فرآیند انتشار یون در محلول، اختلاف غلظت بین سطح الکترود و بدنه محلول تحت یک جریان خاص پلاریزه می شود. این پلاریزاسیون با کاهش جریان الکتریکی در ثانیه های ماکروسکوپی (چند ثانیه تا ده ها ثانیه) کاهش می یابد یا ناپدید می شود.

مقاومت داخلی باتری با افزایش جریان دشارژ باتری افزایش می‌یابد، که عمدتاً به این دلیل است که جریان تخلیه زیاد روند پلاریزاسیون باتری را افزایش می‌دهد و هر چه جریان دشارژ بزرگ‌تر باشد، روند پلاریزاسیون آشکارتر است. در شکل 2. طبق قانون اهم: V=E0-IRT، با افزایش مقاومت کلی داخلی RT، زمان لازم برای رسیدن ولتاژ باتری به ولتاژ قطع تخلیه به ترتیب کاهش می یابد، بنابراین ظرفیت آزادسازی نیز کاهش می یابد. کاهش.

شکل 2. اثر چگالی جریان بر پلاریزاسیون

باتری لیتیوم یونی در اصل نوعی باتری با غلظت یون لیتیوم است. فرآیند شارژ و دشارژ باتری لیتیوم یونی فرآیند تعبیه و جداسازی یون های لیتیوم در الکترودهای مثبت و منفی است. عوامل موثر بر پلاریزاسیون باتری های لیتیوم یون عبارتند از:

(1) تأثیر الکترولیت: رسانایی کم الکترولیت دلیل اصلی قطبش باتری های یون لیتیوم است. در محدوده دمایی عمومی، رسانایی الکترولیت مورد استفاده برای باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً تنها 0.01 تا 0.1 S/cm است که یک درصد از محلول آبی است. بنابراین، وقتی باتری‌های لیتیوم یونی با جریان زیاد تخلیه می‌شوند، برای تکمیل Li + از الکترولیت خیلی دیر است و پدیده پلاریزاسیون رخ خواهد داد. بهبود رسانایی الکترولیت عامل کلیدی برای بهبود ظرفیت تخلیه جریان بالا باتری‌های لیتیوم یون است.

(2) تأثیر مواد مثبت و منفی: کانال طولانی تر مواد مثبت و منفی، ذرات یون لیتیوم بزرگ به سطح پخش می شوند، که منجر به تخلیه با سرعت زیاد نمی شود.

(3) عامل رسانا: محتوای عامل رسانا عامل مهمی است که بر عملکرد تخلیه نسبت بالا تأثیر می گذارد. اگر محتوای عامل رسانا در فرمول کاتد ناکافی باشد، الکترون‌ها را نمی‌توان در زمان تخلیه جریان زیاد منتقل کرد و مقاومت داخلی پلاریزاسیون به سرعت افزایش می‌یابد، به طوری که ولتاژ باتری به سرعت به ولتاژ قطع تخلیه کاهش می‌یابد. .

(4) تأثیر طراحی قطب: ضخامت قطب: در مورد تخلیه جریان زیاد، سرعت واکنش مواد فعال بسیار سریع است، که نیاز به یون لیتیوم دارد که به سرعت در ماده جاسازی و جدا شود. اگر صفحه قطب ضخیم باشد و مسیر انتشار یون لیتیوم افزایش یابد، جهت ضخامت قطب یک گرادیان غلظت یون لیتیوم بزرگ ایجاد می کند.

چگالی تراکم: چگالی تراکم ورق قطب بزرگتر است، منافذ کوچکتر می شود و مسیر حرکت یون لیتیوم در جهت ضخامت ورق قطب طولانی تر است. علاوه بر این، اگر چگالی تراکم خیلی زیاد باشد، سطح تماس بین ماده و الکترولیت کاهش می یابد، محل واکنش الکترود کاهش می یابد و مقاومت داخلی باتری نیز افزایش می یابد.

(5) تأثیر غشای SEI: تشکیل غشای SEI مقاومت رابط الکترود / الکترولیت را افزایش می دهد و در نتیجه پسماند ولتاژ یا قطبش ایجاد می شود.

[ولتاژ کارکرد باتری]

ولتاژ عملیاتی که به عنوان ولتاژ پایان نیز شناخته می شود، به اختلاف پتانسیل بین الکترودهای مثبت و منفی باتری زمانی که جریان در مدار در حالت کار جریان می یابد، اشاره دارد. در حالت کار تخلیه باتری، زمانی که جریان از باتری عبور می کند، باید بر مقاومت ناشی از مقاومت داخلی غلبه کرد که باعث افت فشار اهمی و قطبش الکترود می شود، بنابراین ولتاژ کاری همیشه کمتر از ولتاژ مدار باز است. و هنگام شارژ، ولتاژ پایانی همیشه بالاتر از ولتاژ مدار باز است. یعنی نتیجه پلاریزاسیون باعث می شود ولتاژ انتهایی تخلیه باتری کمتر از پتانسیل الکتروموتور باتری باشد که از پتانسیل الکتروموتور باتری شارژ شده بیشتر است.

به دلیل وجود پدیده پلاریزاسیون، ولتاژ لحظه ای و ولتاژ واقعی در فرآیند شارژ و دشارژ. هنگام شارژ، ولتاژ لحظه ای کمی بیشتر از ولتاژ واقعی است، قطبش ناپدید می شود و ولتاژ کاهش می یابد زمانی که ولتاژ لحظه ای و ولتاژ واقعی پس از تخلیه کاهش می یابد.

برای خلاصه کردن توضیحات بالا، عبارت این است:

E +، E- به ترتیب نشان دهنده پتانسیل الکترودهای مثبت و منفی هستند، E + 0 و E-0 به ترتیب نشان دهنده پتانسیل الکترود تعادلی الکترودهای مثبت و منفی هستند، VR نشان دهنده ولتاژ قطبش اهمی و η + ، η - به ترتیب نشان دهنده پتانسیل مازاد الکترودهای مثبت و منفی است.

[اصل اولیه آزمایش تخلیه]

پس از درک اولیه ولتاژ باتری، ما شروع به تجزیه و تحلیل منحنی دشارژ باتری های لیتیوم یون کردیم. منحنی تخلیه اساساً وضعیت الکترود را منعکس می کند که برهم نهی تغییرات حالت الکترودهای مثبت و منفی است.

منحنی ولتاژ باتری های لیتیوم یونی در طول فرآیند تخلیه را می توان به سه مرحله تقسیم کرد.

1) در مرحله اولیه باتری، ولتاژ به سرعت کاهش می یابد و هر چه میزان تخلیه بیشتر باشد، ولتاژ سریعتر کاهش می یابد.

2) ولتاژ باتری وارد مرحله تغییر کند می شود که به آن ناحیه سکوی باتری می گویند. هر چه میزان تخلیه کمتر باشد،

هر چه مدت زمان مساحت پلت فرم بیشتر باشد، ولتاژ پلت فرم بیشتر باشد، افت ولتاژ کندتر می شود.

3) هنگامی که قدرت باتری تقریباً تمام شد، ولتاژ بار باتری شروع به کاهش شدید می کند تا زمانی که ولتاژ توقف تخلیه برسد.

در طول آزمایش، دو راه برای جمع آوری داده ها وجود دارد

(1) داده های جریان، ولتاژ و زمان را با توجه به بازه زمانی تنظیم شده Δ t جمع آوری کنید.

(2) داده های جریان، ولتاژ و زمان را با توجه به اختلاف تغییر ولتاژ تنظیم شده Δ V جمع آوری کنید. دقت تجهیزات شارژ و دشارژ عمدتاً شامل دقت جریان، دقت ولتاژ و دقت زمان است. جدول 2 پارامترهای تجهیزات یک ماشین شارژ و دشارژ معین را نشان می دهد، که در آن% FS نشان دهنده درصد محدوده کامل است و 0.05% RD به خطای اندازه گیری شده در محدوده 0.05% از قرائت اشاره دارد. تجهیزات شارژ و دشارژ معمولاً از منبع جریان ثابت CNC به جای مقاومت بار برای بار استفاده می کنند، به طوری که ولتاژ خروجی باتری ربطی به مقاومت سری یا مقاومت انگلی در مدار ندارد، بلکه فقط مربوط به ولتاژ E و مقاومت داخلی است. r و جریان مدار I منبع ولتاژ ایده آل معادل باتری. اگر از مقاومت برای بار استفاده می شود، ولتاژ منبع ولتاژ ایده آل باتری را معادل E، مقاومت داخلی r و مقاومت بار R است. ولتاژ را در دو سر مقاومت بار با ولتاژ اندازه گیری کنید. متر، همانطور که در شکل بالا در شکل 6 نشان داده شده است. با این حال، در عمل، مقاومت سرب و مقاومت تماس فیکسچر (مقاومت انگلی یکنواخت) در مدار وجود دارد. نمودار مدار معادل نشان داده شده در شکل. 3 در شکل زیر نشان داده شده است. 3. در عمل، مقاومت انگلی به ناچار وارد می شود، به طوری که مقاومت بار کل بزرگ می شود، اما ولتاژ اندازه گیری شده، ولتاژ دو سر مقاومت بار R است، بنابراین خطا معرفی می شود.

 شکل 3 نمودار بلوک اصلی و نمودار مدار معادل واقعی روش تخلیه مقاومتی

هنگامی که منبع جریان ثابت با جریان I1 به عنوان بار استفاده می شود، نمودار شماتیک و نمودار مدار معادل واقعی در شکل 7 نشان داده شده است. E، I1 مقادیر ثابت هستند و r برای یک زمان معین ثابت است.

از فرمول بالا متوجه می شویم که دو ولتاژ A و B ثابت هستند، یعنی ولتاژ خروجی باتری با اندازه مقاومت سری در حلقه ارتباطی ندارد و البته ربطی هم ندارد. با مقاومت انگلی علاوه بر این، حالت اندازه گیری چهار ترمینال می تواند به اندازه گیری دقیق تری از ولتاژ خروجی باتری دست یابد.

شکل 4 بلوک دیاگرام معادل و نمودار مدار معادل واقعی بار منبع جریان ثابت

منبع همزمان یک منبع تغذیه است که می تواند جریان ثابتی را برای بار تامین کند. هنگامی که منبع تغذیه خارجی نوسان می کند و ویژگی های امپدانس تغییر می کند، همچنان می تواند جریان خروجی را ثابت نگه دارد.

[حالت تست تخلیه]

تجهیزات آزمایش شارژ و تخلیه معمولاً از دستگاه نیمه هادی به عنوان عنصر جریان استفاده می کنند. با تنظیم سیگنال کنترلی دستگاه نیمه هادی می تواند باری با مشخصات مختلف مانند جریان ثابت، فشار ثابت و مقاومت ثابت و غیره شبیه سازی کند. حالت تست تخلیه باتری لیتیوم یون عمدتاً شامل تخلیه جریان ثابت، دشارژ مقاومت ثابت، دشارژ برق ثابت و غیره می باشد. در هر حالت دشارژ، دشارژ پیوسته و دشارژ بازه ای را نیز می توان تقسیم کرد که با توجه به مدت زمان، تخلیه بازه ای را می توان به تخلیه متناوب و تخلیه پالس تقسیم کرد. در حین آزمایش تخلیه، باتری طبق حالت تنظیم شده تخلیه می شود و پس از رسیدن به شرایط تنظیم شده، تخلیه متوقف می شود. شرایط قطع تخلیه شامل تنظیم قطع ولتاژ، تنظیم زمان قطع، تنظیم قطع ظرفیت، تنظیم قطع گرادیان ولتاژ منفی و غیره است. تغییر ولتاژ تخلیه باتری مربوط به سیستم دشارژ است که این است که تغییر منحنی تخلیه نیز تحت تأثیر سیستم تخلیه قرار می گیرد، از جمله: جریان تخلیه، دمای تخلیه، ولتاژ پایان تخلیه. تخلیه متناوب یا مداوم هرچه جریان تخلیه بزرگتر باشد، ولتاژ عملیاتی سریعتر کاهش می یابد. با دمای تخلیه، منحنی دبی به آرامی تغییر می کند.

(1) تخلیه جریان ثابت

هنگامی که تخلیه جریان ثابت است، مقدار فعلی تنظیم می شود و سپس با تنظیم منبع جریان ثابت CNC به مقدار فعلی می رسد تا تخلیه جریان ثابت باتری را متوجه شود. در همان زمان، تغییر ولتاژ پایانی باتری برای تشخیص ویژگی های تخلیه باتری جمع آوری می شود. تخلیه جریان ثابت، تخلیه همان جریان تخلیه است، اما ولتاژ باتری همچنان کاهش می یابد، بنابراین قدرت همچنان کاهش می یابد. شکل 5 منحنی ولتاژ و جریان تخلیه جریان ثابت باتری های لیتیوم یونی است. به دلیل تخلیه جریان ثابت، محور زمان به راحتی به محور ظرفیت (ضرب جریان و زمان) تبدیل می شود. شکل 5 منحنی ولتاژ-ظرفیت را در تخلیه جریان ثابت نشان می دهد. تخلیه جریان ثابت رایج ترین روش تخلیه در آزمایش باتری لیتیوم یون است.

شکل 5 منحنی های شارژ ولتاژ ثابت جریان ثابت و تخلیه جریان ثابت با نرخ های ضریب مختلف

(2) تخلیه توان ثابت

هنگامی که برق ثابت تخلیه می شود، ابتدا مقدار توان ثابت P تنظیم می شود و ولتاژ خروجی U باتری جمع آوری می شود. در فرآیند تخلیه، P لازم است ثابت باشد، اما U دائما در حال تغییر است، بنابراین لازم است به طور مداوم جریان I منبع جریان ثابت CNC را مطابق فرمول I = P / U تنظیم کرد تا به هدف تخلیه توان ثابت برسد. . قدرت دشارژ را بدون تغییر نگه دارید، زیرا ولتاژ باتری در طول فرآیند دشارژ افت می کند، بنابراین جریان در دشارژ برق ثابت همچنان افزایش می یابد. با توجه به دشارژ توان ثابت، محور مختصات زمان به راحتی به محور مختصات انرژی (محصول توان و زمان) تبدیل می شود.

شکل 6 منحنی های شارژ و دشارژ توان ثابت با نرخ های مختلف دو برابر شدن

مقایسه بین دشارژ جریان ثابت و دشارژ توان ثابت

شکل 7: (الف) نمودار ظرفیت شارژ و دشارژ در نسبت های مختلف. (ب) منحنی شارژ و دشارژ

 شکل 7 نتایج آزمون های نسبت های مختلف شارژ و دشارژ را در دو حالت نشان می دهد باتری لیتیوم آهن فسفات. با توجه به منحنی ظرفیت در شکل. 7 (الف)، با افزایش جریان شارژ و دشارژ در حالت جریان ثابت، ظرفیت شارژ و دشارژ واقعی باتری به تدریج کاهش می یابد، اما محدوده تغییر نسبتاً کوچک است. ظرفیت شارژ و دشارژ واقعی باتری با افزایش توان به تدریج کاهش می یابد و هر چه ضریب بزرگتر باشد، ظرفیت سریعتر کاهش می یابد. ظرفیت تخلیه با سرعت 1 ساعت کمتر از حالت جریان ثابت است. در عین حال، زمانی که نرخ شارژ-دشارژ کمتر از نرخ 5 ساعت است، ظرفیت باتری در شرایط توان ثابت بیشتر است، در حالی که ظرفیت باتری بالاتر از نرخ 5 ساعت در شرایط جریان ثابت بیشتر است.

از شکل 7 (ب) منحنی ظرفیت-ولتاژ را نشان می دهد، در شرایط نسبت کم، باتری لیتیوم آهن فسفات دو حالته منحنی ظرفیت-ولتاژ، و تغییر پلت فرم ولتاژ شارژ و دشارژ بزرگ نیست، اما در شرایط نسبت بالا، جریان ثابت حالت ولتاژ ثابت زمان ولتاژ ثابت به طور قابل توجهی طولانی تر، و پلت فرم ولتاژ شارژ به طور قابل توجهی افزایش یافته است، پلت فرم ولتاژ تخلیه به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

(3) تخلیه مقاومت ثابت

هنگام تخلیه مقاومت ثابت، ابتدا یک مقدار مقاومت ثابت R تنظیم می شود تا ولتاژ خروجی باتری U را جمع آوری کند. در طول فرآیند تخلیه، R باید ثابت باشد، اما U دائما در حال تغییر است، بنابراین مقدار جریان I جریان ثابت CNC منبع باید به طور مداوم مطابق با فرمول I=U / R تنظیم شود تا به هدف تخلیه مقاومت ثابت دست یابد. ولتاژ باتری در فرآیند تخلیه همیشه در حال کاهش است و مقاومت یکسان است، بنابراین جریان تخلیه I نیز روند کاهشی دارد.

(4) تخلیه مداوم، تخلیه متناوب و تخلیه پالس

باتری در جریان ثابت، توان ثابت و مقاومت ثابت تخلیه می شود، در حالی که از عملکرد زمان بندی برای تحقق کنترل تخلیه مداوم، تخلیه متناوب و تخلیه پالس استفاده می شود. شکل 11 منحنی های جریان و منحنی های ولتاژ یک آزمایش شارژ/دشارژ پالس معمولی را نشان می دهد.

شکل 8 منحنی‌های جریان و منحنی‌های ولتاژ برای آزمایش‌های شارژ-دشارژ پالس معمولی

[اطلاعات موجود در منحنی تخلیه]

منحنی تخلیه به منحنی ولتاژ، جریان، ظرفیت و سایر تغییرات باتری در طول زمان در طول فرآیند تخلیه اشاره دارد. اطلاعات موجود در منحنی شارژ و دشارژ بسیار غنی است، از جمله ظرفیت، انرژی، ولتاژ کاری و پلت فرم ولتاژ، رابطه بین پتانسیل الکترود و وضعیت شارژ و غیره. داده های اصلی ثبت شده در طول آزمایش دشارژ زمان است. تکامل جریان و ولتاژ پارامترهای زیادی را می توان از این داده های اساسی به دست آورد. در زیر پارامترهایی را که می توان با منحنی دبی به دست آورد توضیح می دهد.

(1) ولتاژ

در آزمایش تخلیه باتری لیتیوم یونی، پارامترهای ولتاژ عمدتاً شامل پلت فرم ولتاژ، ولتاژ میانه، ولتاژ متوسط، ولتاژ قطع و غیره است. ولتاژ پلت فرم مقدار ولتاژ مربوطه زمانی است که تغییر ولتاژ حداقل و تغییر ظرفیت زیاد باشد. که از پیک مقدار dQ/dV بدست می آید. ولتاژ میانه مقدار ولتاژ متناظر نیمی از ظرفیت باتری است. برای موادی که روی پلتفرم آشکارتر هستند، مانند فسفات آهن لیتیوم و لیتیوم تیتانات، ولتاژ میانه ولتاژ پلت فرم است. ولتاژ متوسط ​​مساحت موثر منحنی ولتاژ-ظرفیت (یعنی انرژی تخلیه باتری) تقسیم بر فرمول محاسبه ظرفیت u = U (t) * I (t) dt / I (t) dt است. ولتاژ قطع به حداقل ولتاژ مجاز هنگام تخلیه باتری اشاره دارد. اگر ولتاژ کمتر از ولتاژ قطع تخلیه باشد، ولتاژ در دو سر باتری به سرعت کاهش می یابد و تخلیه بیش از حد ایجاد می کند. تخلیه بیش از حد ممکن است باعث آسیب به ماده فعال الکترود، از دست دادن توانایی واکنش و کاهش عمر باتری شود. همانطور که در قسمت اول توضیح داده شد، ولتاژ باتری به حالت شارژ ماده کاتد و پتانسیل الکترود مربوط می شود.

(2) ظرفیت و ظرفیت خاص

ظرفیت باتری به مقدار الکتریسیته آزاد شده توسط باتری در یک سیستم تخلیه خاص (تحت جریان تخلیه معین I، دمای تخلیه T، ولتاژ قطع تخلیه V) اشاره دارد که نشان دهنده توانایی باتری برای ذخیره انرژی در Ah یا C است. ظرفیت تحت تأثیر بسیاری از عناصر مانند جریان تخلیه، دمای تخلیه و غیره قرار می گیرد. اندازه ظرفیت توسط مقدار مواد فعال در الکترودهای مثبت و منفی تعیین می شود.

ظرفیت نظری: ظرفیتی که ماده فعال در واکنش داده است.

ظرفیت واقعی: ظرفیت واقعی آزاد شده تحت یک سیستم تخلیه معین.

ظرفیت نامی: به حداقل میزان توان تضمین شده توسط باتری در شرایط تخلیه طراحی شده اشاره دارد.

در آزمایش تخلیه، ظرفیت با ادغام جریان در طول زمان محاسبه می شود، یعنی C = I (t) dt، جریان ثابت در t تخلیه ثابت، C = I (t) dt = I t. مقاومت ثابت R تخلیه، C = I (t) dt = (1 / R) * U (t) dt (1 / R) * خارج (u ولتاژ تخلیه متوسط ​​است، t زمان تخلیه است).

ظرفیت ویژه: به منظور مقایسه باتری های مختلف، مفهوم ظرفیت خاص معرفی شده است. ظرفیت ویژه به ظرفیت داده شده توسط ماده فعال جرم واحد یا الکترود واحد حجم اشاره دارد که به آن ظرفیت مخصوص جرم یا ظرفیت ویژه حجم می گویند. روش معمول محاسبه به این صورت است: ظرفیت ویژه = ظرفیت تخلیه اول باتری / (جرم ماده فعال * میزان استفاده از ماده فعال)

عوامل موثر بر ظرفیت باتری:

آ. جریان تخلیه باتری: هر چه جریان بزرگتر باشد ظرفیت خروجی کاهش می یابد.

ب دمای تخلیه باتری: هنگامی که دما کاهش می یابد، ظرفیت خروجی کاهش می یابد.

ج ولتاژ قطع تخلیه باتری: زمان تخلیه تنظیم شده توسط مواد الکترود و حد واکنش الکترود به طور کلی 3.0 ولت یا 2.75 ولت است.

د زمان شارژ و دشارژ باتری: پس از شارژ و دشارژ چندباره باتری، به دلیل خرابی مواد الکترود، باتری قادر خواهد بود ظرفیت تخلیه باتری را کاهش دهد.

ه. شرایط شارژ باتری: نرخ شارژ، دما، ولتاژ قطع بر ظرفیت باتری تأثیر می گذارد، بنابراین ظرفیت تخلیه را تعیین می کند.

 روش تعیین ظرفیت باتری:

صنایع مختلف با توجه به شرایط کاری استانداردهای تست متفاوتی دارند. برای باتری های لیتیوم یونی برای محصولات 3C، طبق استاندارد ملی GB / T18287-2000 مشخصات عمومی باتری های لیتیوم یونی برای تلفن های همراه، روش تست ظرفیت نامی باتری به شرح زیر است: الف) شارژ: شارژ 0.2C5A؛ ب) تخلیه: تخلیه 0.2C5A. ج) پنج دوره که یکی از آنها واجد شرایط است.

برای صنعت خودروهای الکتریکی، مطابق استاندارد ملی GB / T 31486-2015 الزامات عملکرد الکتریکی و روش های آزمایش برای باتری نیرو برای وسایل نقلیه الکتریکی، ظرفیت نامی باتری به ظرفیت (Ah) آزاد شده توسط باتری در دمای اتاق اشاره دارد. با 1I1 (A) تخلیه جریان برای رسیدن به ولتاژ پایانی، که در آن I1 جریان تخلیه با سرعت 1 ساعت است که مقدار آن برابر با C1 (A) است. روش تست این است:

الف) در دمای اتاق، هنگام شارژ با جریان ثابت به ولتاژ پایان شارژ مشخص شده توسط شرکت، ولتاژ ثابت را متوقف کنید و هنگامی که جریان پایان شارژ به 0.05I1 (A) کاهش یافت، شارژ را متوقف کنید و شارژ را به مدت 1 ساعت بعد از آن نگه دارید. شارژ کردن

Bb) در دمای اتاق، باتری با جریان 1I1 (A) تخلیه می شود تا زمانی که تخلیه به ولتاژ پایان تخلیه مشخص شده در شرایط فنی شرکت برسد.

ج) ظرفیت تخلیه اندازه گیری شده (اندازه گیری شده با Ah)، محاسبه انرژی ویژه تخلیه (اندازه گیری شده توسط Wh / kg).

3 د) مراحل الف) -) ج) 5 بار را تکرار کنید. زمانی که اختلاف شدید 3 آزمون متوالی کمتر از 3 درصد ظرفیت رتبه بندی شده باشد، می توان آزمون را از قبل به پایان رساند و نتایج 3 آزمون آخر را میانگین گرفت.

(3) دولت، SOC

SOC (وضعیت شارژ) یک حالت شارژ است که نشان دهنده نسبت ظرفیت باقیمانده باتری به حالت شارژ کامل آن پس از یک دوره زمانی یا مدت طولانی تحت یک نرخ تخلیه مشخص است. روش "ولتاژ مدار باز + یکپارچه سازی ساعتی" از روش ولتاژ مدار باز برای تخمین ظرفیت شارژ حالت اولیه باتری استفاده می کند و سپس از روش یکپارچه سازی ساعتی برای به دست آوردن توان مصرف شده توسط یک باتری استفاده می کند. -روش ادغام زمانی توان مصرفی حاصل ضرب جریان دشارژ و زمان دشارژ است و توان باقیمانده برابر است با اختلاف توان اولیه و توان مصرفی. تخمین ریاضی SOC بین ولتاژ مدار باز و انتگرال یک ساعته به صورت زیر است:

جایی که CN ظرفیت نامی است. η راندمان شارژ-تخلیه است. T دمای استفاده از باتری است. I جریان باتری است. t زمان تخلیه باتری است.

DOD (عمق تخلیه) عمق تخلیه است، اندازه گیری درجه تخلیه، که درصد ظرفیت تخلیه به کل ظرفیت تخلیه است. عمق دشارژ رابطه زیادی با طول عمر باتری دارد: هر چه عمق دشارژ عمیق تر باشد، عمر باتری کمتر است. این رابطه برای SOC = 100% -DOD محاسبه می شود

4) انرژی و انرژی ویژه

انرژی الکتریکی که باتری می تواند با انجام کارهای خارجی تحت شرایط خاص تولید کند، انرژی باتری نامیده می شود و واحد به طور کلی بر حسب wh بیان می شود. در منحنی دبی، انرژی به صورت زیر محاسبه می شود: W = U (t) * I (t) dt. در دشارژ جریان ثابت، W = I * U (t) dt = It * u (u میانگین ولتاژ تخلیه است، t زمان تخلیه است)

آ. انرژی نظری

فرآیند تخلیه باتری در حالت تعادل است و ولتاژ تخلیه مقدار نیروی الکتروموتور (E) را حفظ می کند و میزان استفاده از ماده فعال 100٪ است. در این شرایط، انرژی خروجی باتری، انرژی تئوری است، یعنی حداکثر کاری که باتری برگشت پذیر در دما و فشار ثابت انجام می دهد.

ب انرژی واقعی

انرژی خروجی واقعی تخلیه باتری انرژی واقعی نامیده می شود، مقررات صنعت خودروهای الکتریکی ("GB / T 31486-2015 الزامات عملکرد الکتریکی باتری باتری و روش های تست برای وسایل نقلیه الکتریکی")، باتری در دمای اتاق با 1I1 (A ) تخلیه جریان، برای رسیدن به انرژی (Wh) آزاد شده توسط ولتاژ پایانی که انرژی نامی نامیده می شود.

ج. انرژی خاص

انرژی داده شده توسط باتری در واحد جرم و در واحد حجم را انرژی مخصوص جرم یا انرژی مخصوص حجم می نامند که چگالی انرژی نیز نامیده می شود. بر حسب واحد wh/kg یا wh/l.

[شکل اصلی منحنی دبی]

اساسی ترین شکل منحنی تخلیه، منحنی زمان ولتاژ-زمان و جریان است. از طریق تبدیل محاسبه محور زمان، منحنی تخلیه مشترک نیز دارای منحنی ولتاژ-ظرفیت (ظرفیت ویژه)، منحنی ولتاژ-انرژی (انرژی ویژه)، منحنی ولتاژ-SOC و غیره است.

(1) منحنی زمان ولتاژ و زمان جریان

شکل 9 منحنی های ولتاژ-زمان و جریان-زمان

(2) منحنی ولتاژ-ظرفیت

شکل 10 منحنی ولتاژ-ظرفیت

(3) منحنی ولتاژ-انرژی

شکل شکل 11. منحنی ولتاژ-انرژی

[اسناد مرجع]

• وانگ چائو و همکاران مقایسه مشخصات شارژ و دشارژ جریان ثابت و توان ثابت در دستگاه های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی [J]. علم و فناوری ذخیره انرژی.2017(06)：1313-1320.
• Eom KS, Joshi T, Bordes A, و همکاران. طراحی یک باتری سلول کامل لیتیوم یون با استفاده از نانو سیلیکون و آند کامپوزیت نانو چند لایه گرافن [J]
• گوئو جیپنگ و همکاران مقایسه ویژگی‌های آزمایش جریان ثابت و توان ثابت باتری‌های لیتیوم فسفات آهن [J]. باتری ذخیره‌سازی. 2017 (03)：109-115
• مارینارو ام، یون دی، گابریلی جی، و همکاران، آلیاژ سی/گرافیت با عملکرد بالا 1.2 Ah | نمونه اولیه LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 لیتیوم یون باتری[J].Journal of Power Sources.2017，357(ضمیمه C):188-197.