Wydajność rozładowania akumulatorów magazynujących energię

Jedna z najważniejszych cech wydajnościowychakumulatory magazynujące energięjest ich wydajność rozładowania. Aby scharakteryzować zachowanie akumulatora podczas rozładowania w różnych warunkach, należy zmierzyć krzywą rozładowania akumulatora, która zwykle jest krzywą pokazującą zmianę napięcia rozładowania w czasie. Różne warunki rozładowania charakteryzują się strategiami rozładowania, a różne strategie rozładowania spowodują różne krzywe rozładowania. Strategie rozładowania zazwyczaj obejmują metodę rozładowania, prąd rozładowania, napięcie zakończenia i temperaturę otoczenia.

Metoda rozładowania

Istnieją trzy sposoby rozładowywania akumulatora: rozładowywanie stałoprądowe, rozładowywanie przy stałym oporze i rozładowywanie przy stałej mocy. Typowe krzywe rozładowania pokazano na rysunku 1-5, który ilustruje zmiany prądu rozładowania, napięcia i mocy w funkcji czasu rozładowania w tych trzech trybach rozładowania.

Podczas rozładowywania o stałym-oporze napięcie robocze i prąd rozładowania akumulatora stopniowo zmniejszają się z biegiem czasu. Podobnie przy stałym-wyładowaniu prądowym napięcie robocze również maleje w miarę kontynuacji procesu rozładowywania. Spadek napięcia roboczego przy wydłużonym czasie rozładowania wynika ze wzrostu rezystancji wewnętrznej akumulatora. Co więcej, wraz ze wzrostem wykorzystania energii akumulatorowej w elektronarzędziach, pojazdach elektrycznych i innych zastosowaniach, coraz powszechniejsze staje się-rozładowywanie prądu stałego. Podczas ciągłego-rozładowania napięcie akumulatora stale maleje, podczas gdy prąd rozładowania stale rośnie w miarę postępu rozładowywania.

Prąd rozładowania

Podczas pracy akumulatora prąd wytwarzany przez akumulator nazywany jest prądem rozładowania. Prąd rozładowania jest również powszechnie określany jako szybkość rozładowania i często jest wyrażany za pomocą stawki godzinowej (znanej również jako stawka godzinowa) i mnożnika.

Szybkość rozładowania odnosi się do szybkości rozładowywania akumulatora, mierzonej czasem rozładowania. W szczególności jest to czas wymagany do pełnego uwolnienia pojemności akumulatora przy określonym prądzie rozładowania, zwykle wyrażany w godzinach (h). Na przykład w przypadku akumulatora o pojemności znamionowej 10 amperogodzin (A·h), jeśli jest on rozładowywany prądem o natężeniu 2A, odpowiednia szybkość rozładowania wynosi 5 godzin (10A·h/2A=5h), co oznacza, że ​​akumulator rozładowuje się w tempie 5 godzin.

Szybkość rozładowania odnosi się do wartości prądu, wyrażonej jako wielokrotność pojemności znamionowej akumulatora, gdy pełna pojemność akumulatora zostanie w pełni uwolniona w określonym czasie. Na przykład rozładowanie 2C oznacza, że ​​prąd rozładowania jest dwukrotnie większy od pojemności znamionowej akumulatora, zwykle reprezentowanej przez 2C (gdzie C oznacza pojemność znamionową akumulatora). W przypadku akumulatora o pojemności znamionowej 10A·h wyładowanie 2C (występuje tu problem wymiarowy, tj. jednostki pojemności i prądu nie są takie same, ale jest to powszechne użycie, więc nie zostanie zmienione) oznacza, że ​​prąd rozładowania wynosi 2 x 10=20 (A), co odpowiada szybkości rozładowania wynoszącej 0,5h. Różne typy i konstrukcje akumulatorów mają różną zdolność dostosowywania się do warunków rozładowania: niektóre lepiej nadają się do rozładowywania-małym prądem, inne natomiast lepiej radzą sobie z wysokimi prądami. Ogólnie, szybkości rozładowania mniejsze lub równe 0,5°C nazywane są niskimi szybkościami; te pomiędzy 0,5°C a 3,5°C nazywane są średnimi; te pomiędzy 3,5°C a 7°C nazywane są wysokimi wskaźnikami; a te przekraczające 7°C nazywane są ultra-wysokimi wskaźnikami.

Napięcie zakończenia

Podczas rozładowywania akumulatora wartość napięcia początkowego definiuje się jako początkowe napięcie robocze; kiedy napięcie spadnie do progu, przy którym dalsze rozładowanie nie jest już odpowiednie, ten punkt napięcia nazywany jest napięciem końcowym. Konkretna wartość tego napięcia końcowego jest zwykle ustalana przez tester w oparciu o rzeczywiste wymagania testowe i wcześniejsze doświadczenia.

Ustawione napięcie zakończenia różni się w zależności od różnych warunków rozładowania i ich wpływu na pojemność i żywotność akumulatora. Niższe napięcia końcowe są zwykle stosowane w środowiskach o niskiej-temperaturze lub w warunkach wyładowania-o wysokim prądzie, natomiast wyższe napięcia końcowe są zwykle ustawiane w warunkach wyładowania o niskim-prądzie. Dzieje się tak, ponieważ polaryzacja między elektrodami akumulatora znacznie wzrasta podczas rozładowania w niskiej-temperaturze lub{6}}wysokim{6}}prądzie, co skutkuje niepełnym wykorzystaniem materiałów aktywnych i szybszym spadkiem napięcia. Dlatego odpowiednie obniżenie napięcia zakończenia pomaga uwolnić więcej energii. I odwrotnie, w przypadku rozładowania niskim-prądem aktywne składniki akumulatora są wykorzystywane w pełni. W takim przypadku zwiększenie napięcia zakończenia w celu ograniczenia głębokiego rozładowania może skutecznie wydłużyć ogólną żywotność akumulatora.

Temperatura otoczenia

Jak pokazano na rysunku 1-6, temperatura otoczenia ma znaczący wpływ na krzywą rozładowania. W wyższych temperaturach krzywa rozładowania wykazuje stosunkowo łagodny trend; jednakże wraz ze spadkiem temperatury zmiana ta staje się coraz bardziej drastyczna. Podstawowym powodem jest to, że w niskich temperaturach szybkość migracji jonów maleje, co prowadzi do wzrostu omowego oporu wewnętrznego. W skrajnych przypadkach, jeśli temperatura będzie zbyt niska, elektrolit może zamarznąć, utrudniając tym samym normalny proces rozładowania akumulatora. Co więcej, w niższych temperaturach odpowiednio zwiększa się polaryzacja elektrochemiczna i polaryzacja stężeniowa, co dodatkowo przyspiesza zanik krzywej wyładowania.

Rysunek 1-6 Krzywe rozładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych w różnych temperaturach otoczenia

Pojemność i pojemność właściwa

Pojemność baterii odnosi się do ilości energii elektrycznej, jaką można uzyskać z baterii w określonych warunkach rozładowania. Jednostkę wyraża się zwykle w ampero-godzinie (Ah). W zależności od aktualnej sytuacji pojemność akumulatora można dalej podzielić na pojemność teoretyczną, pojemność rzeczywistą i pojemność znamionową.

Pojemność teoretyczna (Co) odnosi się do ilości energii elektrycznej, która może zostać dostarczona w idealnych warunkach, gdy materiał aktywny w pełni uczestniczy w reakcji elektrochemicznej akumulatora. Wartość tę oblicza się na podstawie masy materiału aktywnego, zgodnie z prawem Faradaya. Prawo Faradaya stwierdza, że ​​istnieje bezpośrednia proporcjonalna zależność pomiędzy masą materiału biorącego udział w reakcji na elektrodzie a ilością przenoszonego przez niego ładunku; gdy 1 mol materiału aktywnego uczestniczy w procesie elektrochemicznym akumulatora, może wyzwolić ładunek równy 26,8 A·h lub 1 faradowi (F). Dlatego istnieje następujący wzór obliczeniowy:

We wzorze m oznacza masę substancji czynnej po całkowitym przereagowaniu; n jest liczbą elektronów zdobytych lub utraconych podczas reakcji przepływu; a M oznacza masę molową substancji czynnej.

We wzorze K nazywany jest elektrochemicznym odpowiednikiem substancji czynnej.

Jak pokazano w równaniu (1.5), teoretyczna pojemność elektrody jest powiązana z masą materiału aktywnego i równoważnikiem elektrochemicznym. Przy tej samej masie materiału aktywnego im mniejszy równoważnik elektrochemiczny, tym większa pojemność teoretyczna. Elektrochemiczne odpowiedniki niektórych materiałów elektrod pokazano w tabeli 1-3.

Tabela 1-3 Elektrochemiczne odpowiedniki niektórych materiałów elektrod

Ponadto często stosuje się pojęcia pojemności rzeczywistej i pojemności znamionowej. Rzeczywista pojemność odnosi się do całkowitej ilości energii elektrycznej, jaką akumulator może dostarczyć w określonych warunkach rozładowania. Rzeczywista pojemność jest ograniczona nie tylko teoretyczną wartością maksymalną, ale także specyficznymi warunkami rozładowania.

Z drugiej strony pojemność znamionowa jest standardowym ustawieniem akumulatora na etapie projektowania i produkcji; to znaczy minimalna pojemność wyjściowa, jaką akumulator powinien osiągnąć w określonych warunkach rozładowania, zwana także pojemnością nominalną.

Porównując różne typy akumulatorów z tej samej serii, do oceny zwykle bierze się pod uwagę konkretną pojemność. W szczególności pojemność właściwa odnosi się do ilości energii elektrycznej, jaką akumulator może dostarczyć na jednostkę masy lub objętości, tj. pojemności właściwej masowej (Ah/kg) i pojemności właściwej objętościowej (Ah/L). Należy zauważyć, że przy obliczaniu masy i objętości akumulatora, oprócz uwzględnienia materiałów elektrody i elektrolitu, należy wziąć pod uwagę również inne elementy akumulatora, takie jak obudowa, separator i powiązane elementy przewodzące. Zwłaszcza w przypadku akumulatorów i ogniw paliwowych do całkowitej masy i objętości zalicza się także cały niezbędny sprzęt pomocniczy, taki jak zbiorniki do przechowywania cieczy, urządzenia aktywujące (w przypadku akumulatorów), czy też systemy magazynowania i zasilania materiałem aktywnym, układy sterowania, urządzenia grzewcze itp. (w przypadku ogniw paliwowych).

Wprowadzając pojęcie pojemności właściwej, możemy porównać wydajność akumulatorów różnych typów i rozmiarów. Pojemność baterii jest podzielona na pojemność teoretyczną i pojemność rzeczywistą; odpowiednio, zdolność właściwa ma również aspekty teoretyczne i faktyczne.

Energia i energia właściwa

Energia akumulatora odnosi się do całkowitej energii elektrycznej wytworzonej przez akumulator podczas pracy w określonych warunkach rozładowania, zazwyczaj wyrażona w watogodzinach (W·h). Energia akumulatora ma również energię teoretyczną i energię rzeczywistą.

Zakładając, że akumulator podczas rozładowywania pozostaje w równowadze, a napięcie rozładowania jest stałe, równe jego sile elektromotorycznej, a także zakładając, że w reakcji chemicznej biorą udział wszystkie materiały aktywne, wówczas energia dostarczana przez akumulator powinna być równa jego teoretycznej energii maksymalnej Wo.

Teoretyczna energia akumulatora to maksymalna-praca nieobjętościowa wykonana przez akumulator w stałych warunkach temperatury, stałego ciśnienia i odwracalnego rozładowania.

Rzeczywista energia (W) odnosi się do energii faktycznie dostarczanej przez akumulator w określonych warunkach rozładowania. Oblicza się ją liczbowo, mnożąc rzeczywistą pojemność przez średnie napięcie robocze. Ponieważ materiały aktywne znajdujące się wewnątrz akumulatora nie mogą być w pełni wykorzystane, a jego napięcie robocze jest zwykle niższe niż teoretyczna siła elektromotoryczna, rzeczywista energia jest zawsze mniejsza niż energia teoretyczna.

Energia właściwa odnosi się do energii uwalnianej przez akumulator na jednostkę masy lub jednostkę objętości. Energię wyjściową na jednostkę masy akumulatora definiuje się jako energię właściwą masie, zwykle mierzoną w watogodzinach na kilogram (Wh/kg). Energię wyjściową na jednostkę objętości akumulatora definiuje się jako wolumetryczną energię właściwą, zwykle wyrażaną w watogodzinach na litr (Wh/l). Co więcej, pojęcie energii właściwej można dalej podzielić na teoretyczną (W) i rzeczywistą (W), gdzie teoretyczną energię właściwą masy można obliczyć za pomocą równania (1.9):

We wzorze K+ jest elektrochemicznym odpowiednikiem materiału elektrody dodatniej; K- jest elektrochemicznym odpowiednikiem materiału elektrody ujemnej; a E jest siłą elektromotoryczną akumulatora.

Moc i moc właściwa

Moc akumulatora oznacza energię wyjściową akumulatora na jednostkę czasu w określonych warunkach rozładowania, a jednostką miary jest wat (W) lub kilowat (kW). Kiedy tę moc wyjściową rozważa się w odniesieniu do masy lub objętości akumulatora, otrzymuje się pojęcie mocy właściwej. W szczególności moc właściwa dla masy mierzy, ile watów mocy może zapewnić jednostka masy akumulatora, a jej jednostką jest W/kg; podczas gdy wolumetryczna moc właściwa odzwierciedla moc wytwarzaną przez jednostkę objętości akumulatora, a odpowiadającą jej jednostką jest W/L.

Moc i moc właściwa wskazują szybkość rozładowania akumulatora. Wyższa moc akumulatora oznacza, że ​​akumulator może się rozładowywać przy większym natężeniu lub większym natężeniu. Na przykład bateria cynkowo--srebrna może osiągnąć moc właściwą ponad 100 W/kg podczas rozładowywania przy średniej gęstości prądu, co wskazuje na niski opór wewnętrzny i dobrą-szybkość rozładowania. Z kolei bateria cynkowo-manganowa z suchymi ogniwami może osiągnąć moc właściwą jedynie 10 W/kg podczas pracy przy niskiej gęstości prądu, co wskazuje na wysoką rezystancję wewnętrzną i słabą-szybkość rozładowania. Podobnie jak energia akumulatorowa, moc ma również moc teoretyczną i moc rzeczywistą.

Teoretyczną moc akumulatora można wyrazić wzorem:

We wzorze t oznacza czas; Co to teoretyczna pojemność akumulatora; a ja jestem prądem.

Rzeczywista moc akumulatora powinna wynosić:

W formule I²R oznacza moc zużywaną przez rezystancję wewnętrzną akumulatora. Ta moc jest bezużyteczna przy przyłożonym obciążeniu; jest zasadniczo przekształcana w energię cieplną i uwalniana w postaci ciepła.

Życie cykliczne

W przypadku baterii cykl życia lub cykl użytkowania jest jednym z kluczowych wskaźników oceny wydajności baterii. Każdy pełny cykl ładowania-rozładowania jest uważany za okres czasu dla baterii.

W określonych warunkach-rozładowania liczba cykli, które bateria może wytrzymać, zanim jej pojemność spadnie do określonej wartości, jest definiowana jako jej cykl życia lub cykl użytkowania. Im dłuższy cykl życia, tym lepsza wydajność cyklu akumulatora. Różne typy akumulatorów charakteryzują się różnymi cyklami życia; na przykład baterie niklowe-kadmowe mogą wykonywać tysiące cykli, podczas gdy baterie cynkowe-srebrne mają stosunkowo mniej cykli, niektóre nawet poniżej stu. Warto zauważyć, że nawet akumulatory tego samego typu mogą mieć różną żywotność cykli ze względu na różnice w ich wewnętrznej budowie.

Na cykl życia akumulatora wpływa wiele czynników. Oprócz prawidłowego użytkowania i konserwacji obowiązują również następujące kluczowe aspekty: ① Podczas cykli-ładowania, powierzchnia materiału aktywnego stopniowo maleje, co prowadzi do wzrostu gęstości prądu roboczego i intensyfikacji polaryzacji; ② Aktywne składniki elektrod mogą odłączyć się lub przenieść; ③ Podczas pracy akumulatorowej niektóre materiały elektrod mogą ulec korozji; ④ Dendryty utworzone na elektrodach podczas jazdy na rowerze mogą powodować zwarcia wewnątrz akumulatora; ⑤ Separator może być uszkodzony; ⑥ Morfologia kryształu materiału aktywnego zmienia się podczas powtarzających się cykli-rozładowania, zmniejszając w ten sposób jego aktywność.

Wydajność pamięci

Wydajność przechowywania baterii odnosi się do stopnia naturalnej utraty energii w baterii, gdy znajduje się ona w obwodzie-rozwartym w określonych warunkach środowiskowych (takich jak temperatura i wilgotność). Zjawisko to jest również znane jako samo-rozładowanie. Jeśli udział strat energii podczas przechowywania jest niewielki, oznacza to, że akumulator ma doskonałą wydajność przechowywania.

Gdy bateria znajduje się w stanie-obwodu otwartego, mimo że nie dostarcza energii elektrycznej na zewnątrz, nadal ulega procesowi-samorozładowania. Zjawisko to wynika głównie z niestabilności termodynamicznej elektrod w środowisku elektrolitu, co prowadzi do samoistnych reakcji redoks pomiędzy elektrodami. Nawet w suchych warunkach, jeśli uszczelka nie jest wystarczająco szczelna, przenikanie czynników zewnętrznych, takich jak powietrze lub wilgoć, może nadal wywołać efekt-samorozładowania wewnątrz akumulatora.

Współczynnik-samorozładowania można także wyrazić jako liczbę dni potrzebnych, aby pojemność akumulatora spadła do określonej wartości podczas przechowywania, zwanej okresem trwałości. Wyróżnia się okres przechowywania w stanie suchym i okres przechowywania w stanie mokrym. Na przykład akumulator bez dodawania elektrolitu przed użyciem może być przechowywany przez długi czas; taka bateria może mieć długi okres trwałości w stanie suchym. Przechowywanie z elektrolitem nazywa się przechowywaniem na mokro; przechowywanie na mokro skutkuje silniejszym efektem-samorozładowania i stosunkowo krótszym okresem przechowywania na mokro. Na przykład okres trwałości baterii cynkowej-srebrnej może wynosić 5–8 lat w stanie suchym, a okres przechowywania w stanie mokrym wynosi zazwyczaj tylko kilka miesięcy.