რა არის დატენვის და გამონადენის მახასიათებლები?

რა არის დატენვის და გამონადენის მახასიათებლები?

ლითიუმის-იონური ბატარეები ჩვეულებრივ იყენებენ ორ-დატენვის მეთოდს უსაფრთხოების, საიმედოობისა და დატენვის ეფექტურობის უზრუნველსაყოფად. პირველი ეტაპი არის მუდმივი დენი ძაბვის შეზღუდვით, ხოლო მეორე ეტაპი არის მუდმივი ძაბვა დენის შეზღუდვით. ლითიუმის-იონური ბატარეის დატენვის მაქსიმალური ძაბვის ლიმიტი განსხვავდება კათოდური მასალის მიხედვით. ლითიუმის-იონური ბატარეის დამუხტვის/გამორთვის ძაბვის ძირითადი მრუდები ნაჩვენებია სურათზე 3-11. ფიგურაში მოსახვევებში გამოიყენება დატენვის/განმუხტვის დენი C/3. სხვადასხვა ლითიუმ-იონური ბატარეებისთვის, ძირითადი განსხვავებები ორგვარია:

Figure 3-11 Basic charging and discharging voltage curve of lithium-ion battery

1) ოპტიმალური მუდმივი დენის მნიშვნელობა პირველი ეტაპისთვის განსხვავდება ბატარეის კათოდური მასალისა და წარმოების პროცესის მიხედვით. ზოგადად, გამოიყენება 0.2C-დან 0.3C-მდე დენის დიაპაზონი. ელექტროენერგიის სწრაფი მოხმარების შემთხვევაში, შეიძლება გამოყენებულ იქნას 1C, 2C ან კიდევ უფრო მაღალი მაჩვენებლები.

2) სხვადასხვა ლითიუმ-იონური ბატარეები ავლენენ მნიშვნელოვან განსხვავებებს მუდმივი დენის ხანგრძლივობაში და სიმძლავრის პროპორცია, რომლის დამუხტვაც შესაძლებელია მუდმივი დენით მთლიან სიმძლავრეზე, ასევე მნიშვნელოვნად განსხვავდება. ელექტრო მანქანების პრაქტიკული გამოყენების პერსპექტივიდან, მუდმივი დენის ხანგრძლივობის ხანგრძლივობა იწვევს დატენვის მოკლე დროს, რაც უფრო მომგებიანია აპლიკაციებისთვის.

ლითიუმის-იონური ბატარეის ძაბვა სტაბილურია და ნელ-ნელა მცირდება განმუხტვის ადრეულ და შუა ეტაპებზე, მაგრამ სწრაფად ეცემა მოგვიანებით ეტაპებზე, როგორც ნაჩვენებია ნახაზი 3-ის DE სეგმენტში-11. ეფექტური კონტროლი გადამწყვეტია ამ ეტაპზე, რათა თავიდან იქნას აცილებული ბატარეის ზედმეტი გამონადენი და შეუქცევადი დაზიანება.

(1) ეფექტიდატენვის დენიდატენვის მახასიათებლებზე მაგალითად, NCM ლითიუმ-იონური ბატარეის ნომინალური სიმძლავრით 242A·h, SOC=0% და 20 გრადუსი მუდმივი ტემპერატურის პირობებში, დატენვის სხვადასხვა სიხშირე იყო გამოყენებული. პარამეტრის შედეგები ნაჩვენებია ცხრილში 3-1 და დატენვის მრუდი ნაჩვენებია სურათზე 3-12.

მიმდინარე/A (განაკვეთი)	CC-CV①საერთო დრო	მუდმივი მიმდინარე დრო/წმ	მთლიანი დამუხტვის მოცულობა/A·h	მთლიანი დამუხტული ენერგია/W·h	მუდმივი მიმდინარე დატენვის მოცულობა/A·h	მუდმივი ძაბვის დამუხტული ენერგია/W·h	170A·hTime/s	170A·h მიმდინარე/A
4.84/(0.02C)	182220	182220	245.74	942.54	245.74	942.54	127400	4.85
12.1/(0.05C)	72318.5	72318.5	243.70	935.37	243.70	935.37	50400	12.11
24.2/(0.1C)	36206.8	35800	243.20	935.77	241.03	926.69	25200	24.24
48.4/(0.2C)	18317.5	17560	241.08	933.32	236.32	912.16	12600	48.44
80.7/(0.33C)	11443.6	10490	243.50	946.27	235.29	910.08	7590	80.76
121/(0.5C)	7936.6	6900	243.92	952.95	232.09	900.85	5110	121.09

① CC, მუდმივი დენი; CV, მუდმივი ძაბვა.

Figure 3-12 Lithium-ion battery charging curves at different C-rates

როგორც ნაჩვენებია ცხრილში 3-1, მუდმივი დენის დრო თანდათან მცირდება დამუხტვის დენის გაზრდით და სიმძლავრე და ენერგია, რომლის დამუხტვაც შესაძლებელია მუდმივი დენის ქვეშ, ასევე თანდათან მცირდება. დატენვისა და განმუხტვის სიმძლავრის 1/2 (ანუ SOC=50%) სტანდარტის გათვალისწინებით, დამუხტვის საჭირო დრო მცირდება დატენვის დენის მატებასთან ერთად; 0.1C-სთვის საჭირო დრო არის დაახლოებით 5-ჯერ ვიდრე 0.5C-ისთვის. ამ პირობებში, მიმდინარე სხვაობა დატენვის გაგრძელებისთვის მცირეა, ამიტომ ბოლო 30A·h დატენვის დრო მნიშვნელოვნად არ განსხვავდება. ამიტომ, ბატარეის დასაშვები დატენვის დენის ფარგლებში, დატენვის დენის გაზრდა, თუმცა სიმძლავრის და ენერგიის შემცირება, რომელიც შეიძლება დამუხტვა მუდმივი დენით, ხელს უწყობს დატენვის საერთო დროის შემცირებას. ბატარეის პრაქტიკულ აპლიკაციებში, ლითიუმ-იონური ბატარეის მაქსიმალური დასაშვები დატენვის დენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას დასატენად, ხოლო ძაბვის ლიმიტის მიღწევის შემდეგ შეიძლება განხორციელდეს მუდმივი ძაბვის დატენვა. ეს ამცირებს დატენვის დროს და უზრუნველყოფს დატენვის უსაფრთხოებას. თუმცა, დატენვის დენის გაზრდა ასევე გამოიწვევს ენერგიის დანაკარგის ზრდას ბატარეის შიდა წინააღმდეგობის გამო. შიდა წინააღმდეგობაში მოხმარებული ენერგია გამოითვლება (3-4) განტოლების მიხედვით.

Factors affecting charging characteristics

სადაც E არის შიდა წინააღმდეგობის მიერ მოხმარებული ენერგია;

r არის ბატარეის შიდა წინააღმდეგობა;

t არის დატენვის დროის ცვლადი;

I არის დამუხტვის დენი;

t1 და t2 არის დატენვის დაწყების და დასრულების დრო.

ფართომასშტაბიანი ტესტირებამ აჩვენა, რომ ლითიუმ-იონური ბატარეების შიდა წინააღმდეგობა იცვლება 0,4 mΩ ფარგლებში დატენვისას. მაშასადამე, განტოლება (3-4) აჩვენებს, რომ ენერგიის მოხმარება ბატარეის შიდა წინააღმდეგობის გამო არსებითად წრფივად არის დაკავშირებული დატენვის დროს, მაგრამ კვადრატულად დაკავშირებულია დატენვის დენთან. მუდმივი დენის დამუხტვის ეტაპზე დამუხტვის დენის სიდიდე არის მთავარი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს შიდა წინააღმდეგობის ენერგიის მოხმარებაზე; დატენვის მაღალი დენი იწვევს ენერგიის დიდ მოხმარებას. მუდმივი ძაბვის, დაბალი დენის ეტაპზე, დატენვის დრო ხდება ძირითადი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს შიდა წინააღმდეგობის ენერგიის მოხმარებაზე; დატენვის უფრო დიდი დრო იწვევს ენერგიის დიდ მოხმარებას. მთელი დატენვის პროცესის გათვალისწინებით, ვინაიდან დატენვის დენს აქვს კვადრატული კავშირი შიდა წინააღმდეგობის ენერგიის მოხმარებასთან და არის მასზე მოქმედი მთავარი ფაქტორი, უფრო მაღალი დამუხტვის დენი იწვევს უფრო დიდ შიდა წინააღმდეგობის ენერგიის მოხმარებას. ბატარეის პრაქტიკულ პროგრამებში უნდა შეირჩეს დატენვის შესაფერისი დენი, როგორც დატენვის დროის, ასევე ეფექტურობის ყოვლისმომცველი გათვალისწინებით.

(2) განმუხტვის სიღრმის გავლენა დატენვის მახასიათებლებზე 20 გრადუსის მუდმივ ტემპერატურაზე, განმუხტვის ტესტი ჩატარდა NCM ლითიუმ-იონურ ბატარეაზე, რომლის ნომინალური სიმძლავრე იყო 66,2 A·h. ბატარეა დაცლილია 0,5C სიჩქარით გამონადენის სხვადასხვა სიღრმეზე (DOD) (10%→100%), რაც შეესაბამება დამუხტვის მდგომარეობას (SOC) 90%→0%. ძაბვის, დენისა და სიმძლავრის მონაცემები დაფიქსირდა განმუხტვის პროცესში. 60 წუთის დასვენების შემდეგ, ბატარეა დამუხტული იყო 0,5C (CC) სიჩქარით. როდესაც ათვლის ძაბვა მიიღწევა, დატენვის რეჟიმი გადავიდა მუდმივ ძაბვაზე (CV). როდესაც დენი იყო 0,05C-ზე ნაკლები, პროცესი შეჩერდა და ძაბვის, დენისა და სიმძლავრის მონაცემები ჩაიწერა. შესაბამისი მონაცემები ნაჩვენებია ცხრილში 3-2. ლითიუმ-იონური ბატარეის დამუხტვის დენის მრუდები გამონადენის სხვადასხვა სიღრმის პირობებში ნაჩვენებია სურათზე 3-13.

სოც	DOD	გამონადენი	დატენვა	თანაბარი-ტევადობის დამუხტული ენერგია①/W·h	თანაბარი-სიმძლავრის განმუხტვის ენერგია②/W·h	დატენვის დრო/წთ	მუდმივი მიმდინარე დრო/წთ	მუდმივი მიმდინარე დატენვის მოცულობა/A·h	დატენვის ტაიმერის ერთეულის საშუალო სიმძლავრე③/წთ
		ტევადობა/A·h	ენერგია/W·h	ტევადობა/A·h	ენერგია/W·h
80.00	20.00	13.35	54.03	13.48	55.88	27.94	27.02	41.13	33.50	12.32	3.05
70.00	30.00	20.02	80.16	19.99	82.08	27.36	26.72	59.23	50.83	18.69	2.96
60.00	40.00	26.69	105.62	26.61	108.19	27.05	26.41	77.72	68.50	25.19	2.92
50.00	50.00	33.36	130.42	33.27	133.61	26.72	26.08	96.02	86.67	31.87	2.89
40.00	60.00	40.04	154.61	39.95	158.50	26.42	25.77	114.18	104.83	38.55	2.86
30.00	70.00	46.71	178.38	46.61	182.97	26.14	25.48	132.28	123.00	45.22	2.84
20.00	80.00	53.38	201.73	53.26	207.07	25.88	25.22	150.40	141.00	51.84	2.82
10.00	90.00	60.05	224.45	59.92	230.62	25.62	24.94	168.47	159.17	58.52	2.81

① თანაბარი-სიმძლავრის დამუხტული ენერგია: ენერგია დამუხტულია იგივე SOC ცვლილების პირობებში (მაგ., 10%). მაგალითად: თუ დამუხტვის სიმძლავრე 90% DOD-ზე არის 30W·h, თანაბარი-სიმძლავრის დამუხტული ენერგია არის 30W·h; თუ დამუხტვის სიმძლავრე 80% DOD-ზე არის 50W·h, თანაბარი-დამუხტვის სიმძლავრე არის 25W·h.

② თანაბარი-სიმძლავრის განმუხტვის ენერგია: ენერგია გამოიყოფა იგივე SOC ცვლილების შედეგად (მაგ., 10%).

③ საშუალო დატენვის დრო ერთეულზე სიმძლავრე / წთ: დატენვის დრო / დატენვის მოცულობა.

Figure 3-13 Charging curves of lithium-ion batteries under different depths of discharge conditions

ცხრილი 3-2 და სურათი 3-13, შემდეგი დასკვნების გამოტანა შეიძლება:

1) გამონადენის სიღრმის მატებასთან ერთად, დატენვის დრო იზრდება, მაგრამ დატენვის საშუალო დრო ერთეულის სიმძლავრეზე მცირდება, რაც ნიშნავს, რომ დატენვის დროის ზრდა არ არის პროპორციული გამონადენის სიღრმისა.

2) განმუხტვის სიღრმის მატებასთან ერთად იზრდება მუდმივი დენის დამუხტვის დროის პროპორცია მთლიან დატენვის დროს და იზრდება მუდმივი დენის დამუხტვის სიმძლავრის პროპორცია დამუხტვის საჭირო სიმძლავრესთან. სინამდვილეში, ეს მახასიათებლები ძირითადად გამოწვეულია ორი ფაქტორით: პირველი, გამონადენის უფრო ღრმა სიღრმე მოითხოვს უფრო მეტ დროს ბატარეის სრულად დასატენად; მეორეც, გამონადენის უფრო ღრმა სიღრმე შეესაბამება ძაბვის დაბალ დიაპაზონს, რის შედეგადაც ნაკლები ენერგია იტენება ბატარეაში იმავე მიმდინარეობისა და დატენვის დროის პირობებში.

(3) ტემპერატურის გავლენა დატენვის მახასიათებლებზე ლითიუმ-იონური ბატარეები დამუხტული იყო გარემოს სხვადასხვა ტემპერატურაზე. მაგალითად, 66,2 A·h NCM ლითიუმის-იონური ბატარეის აღებისას გამოყენებული იქნა მუდმივი დენის და ძაბვის შეზღუდვის მეთოდი. დატენვის პარამეტრები დაფიქსირდა დატენვის დენის ლიმიტით 1.3 A და 3.3 A, როგორც ნაჩვენებია ცხრილში 3-3. იგივე გამონადენი დენის პირობებში, ბატარეის ძაბვა განიცდის მკვეთრ ვარდნას, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 3-13. თუმცა, იმის გამო, რომ ძაბვა შედარებით მაღალი რჩება, გამონადენის ენერგია მაინც მაღალია. განმუხტვის საწყის ეტაპზე, ბატარეის შიდა წინააღმდეგობის მიერ მოხმარებული ენერგია ზრდის ბატარეის ტემპერატურას, აძლიერებს ლითიუმ-იონური ბატარეის აქტიური მასალების აქტივობას და ზრდის ბატარეის ძაბვას, რითაც იზრდება ენერგიის გამოყოფა. განმუხტვის შუა და გვიან ეტაპებზე მცირდება ბატარეის ძაბვა და შესაბამისად მცირდება დროის ერთეულზე გამოთავისუფლებული ენერგია.

ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე და გამონადენის შეწყვეტის ერთნაირი ძაბვით, გამონადენის შეწყვეტის სხვადასხვა დენები გამოიწვევს განსხვავებებს სიმძლავრესა და გამოთავისუფლებულ ენერგიაში. ჩვეულებრივ, ნორმალურ ტემპერატურულ პირობებში, რაც უფრო დაბალია დენი, მით მეტია ტევადობა და გამოთავისუფლებული ენერგია. როგორც ზემოთ ნახსენები გამონადენის ექსპერიმენტში, 0.2C გამოყოფს 3.2%-ით მეტ სიმძლავრეს და ენერგიას, ვიდრე 1C.

Figure 3-15 Discharge energy-discharge capacity curves at different temperatures