Hvad er opladnings- og afladningsegenskaber?

Hvad er opladnings- og afladningsegenskaber?

Opladning ogudledningegenskaber

Lithium-ion-batterier anvender typisk en to-opladningsmetode for at sikre sikkerhed, pålidelighed og opladningseffektivitet. Det første trin er konstant strøm med spændingsbegrænsning, og det andet trin er konstant spænding med strømbegrænsning. Den maksimale spændingsgrænse for opladning af et lithium-ionbatteri varierer afhængigt af katodematerialet. De grundlæggende opladnings-/afladningsspændingskurver for et lithium-ionbatteri er vist i figur 3-11. Kurverne i figuren bruger en lade-/afladningsstrøm på C/3. For forskellige lithium-ion-batterier er de vigtigste forskelle todelt:

1) Den optimale konstantstrømværdi for første trin varierer afhængigt af batteriets katodemateriale og fremstillingsproces. Generelt bruges et strømområde på 0,2C til 0,3C. I tilfælde af hurtigt strømforbrug kan 1C, 2C eller endnu højere hastigheder anvendes.

2) Forskellige lithium-ion-batterier udviser betydelige forskelle i konstant strømvarighed, og andelen af ​​kapacitet, der kan oplades ved konstant strøm til den samlede kapacitet, varierer også betydeligt. Fra perspektivet af praktiske applikationer til elektriske køretøjer resulterer en længere konstant strømvarighed i en kortere samlet opladningstid, hvilket er mere fordelagtigt for applikationer.

Lithium-ionbatterispændingen er stabil og falder langsomt i de tidlige og mellemste stadier af afladning, men falder hurtigt i de senere stadier, som vist i segment DE i figur 3-11. Effektiv kontrol er afgørende i denne fase for at forhindre overafladning og irreversibel skade på batteriet.

Faktorer, der påvirker opladningsegenskaberne

(1) Effekt af ladestrøm på opladningskarakteristika. Tager man et bestemt NCM lithium-ionbatteri med en nominel kapacitet på 242A·h som eksempel, under betingelserne SOC=0% og konstant temperatur på 20 grader, blev der brugt forskellige opladningshastigheder til opladning. Parameterresultaterne er vist i Tabel 3-1, og ladekurven er vist i Figur 3-12.

Tabel 3-1 Opladningsparametre for forskellige opladningshastigheder

① CC, konstant strøm; CV, konstant spænding.

Som vist i tabel 3-1 falder den konstante strømtid gradvist med stigende ladestrøm, og kapaciteten og energien, der kan oplades under konstant strøm, falder også gradvist. Tager opladnings- og afladningskapaciteten på 1/2 (dvs. SOC=50%) som standard, falder den nødvendige opladningstid med stigende ladestrøm; den tid, der kræves for 0,1C, er cirka 5 gange den for 0,5C. Under denne tilstand er strømforskellen for fortsat opladning lille, så opladningstiden for de sidste 30A·h er ikke væsentlig anderledes. Derfor, inden for batteriets tilladte ladestrøm, hjælper en forøgelse af ladestrømmen, selvom reduktion af kapaciteten og energien, der kan oplades under konstant strøm, med til at reducere den samlede ladetid. I praktiske batteripakkeapplikationer kan den maksimalt tilladte ladestrøm af lithium-ion-batteriet bruges til opladning, og efter at have nået spændingsgrænsen kan der udføres konstant spændingsopladning. Dette reducerer opladningstiden, samtidig med at opladningssikkerheden sikres. En forøgelse af ladestrømmen vil dog også føre til et øget energitab på grund af batteriets indre modstand. Den energi, der forbruges i den indre modstand, beregnes i henhold til ligning (3-4).

Hvor E er den energi, der forbruges af den indre modstand;

r er batteriets indre modstand;

t er ladetidsvariablen;

I er ladestrømmen;

t1 og t2 er start- og sluttidspunkter for opladning.

Omfattende test har vist, at den interne modstand i lithium-ion-batterier ændres inden for 0,4 mΩ under opladning. Derfor viser ligning (3-4), at energiforbruget på grund af batteriets indre modstand i det væsentlige er lineært relateret til ladetiden, men kvadratisk relateret til ladestrømmen. Under opladningsstadiet med konstant strøm er størrelsen af ​​ladestrømmen den primære faktor, der påvirker det indre modstandsenergiforbrug; en højere ladestrøm resulterer i større energiforbrug. Under konstant spænding, lavstrømstrin, bliver opladningstiden den primære faktor, der påvirker det indre modstands energiforbrug; en længere opladningstid giver et større energiforbrug. I betragtning af hele ladeprocessen, da ladestrømmen har et kvadratisk forhold til internt modstandsenergiforbrug og er den vigtigste faktor, der påvirker det, resulterer en højere ladestrøm i et større internt modstandsenergiforbrug. I praktiske batteriapplikationer bør en passende ladestrøm vælges ved at overveje både ladetid og effektivitet grundigt.

(2) Effekt af afladningsdybde på opladningskarakteristika Under en konstant temperatur på 20 grader blev en afladningstest udført på et NCM lithium-ionbatteri med en nominel kapacitet på 66,2 Ah. Batteriet blev afladet med en hastighed på 0,5C til forskellige afladningsdybder (DOD) (10%→100%), svarende til en ladetilstand (SOC) på 90%→0%. Spændings-, strøm- og kapacitetsdata blev registreret under afladningsprocessen. Efter at have hvilet i 60 minutter blev batteriet opladet med en hastighed på 0,5 C (CC). Da afskæringsspændingen var nået, blev ladetilstanden skiftet til konstant spænding (CV). Når strømmen var mindre end 0,05C, blev processen stoppet, og spændings-, strøm- og kapacitetsdata blev registreret. De relevante data er vist i tabel 3-2. Opladningsstrømkurverne for lithium-ion-batteriet under forskellige dybder af afladning er vist i figur 3-13.

Tabel 3-2 Opladningstestparametre ved forskellig afladningsdybde

① Equal-Capacity Charged Energy: Energi opladet under samme SOC-ændring (f.eks. 10 %). For eksempel: hvis ladekapaciteten ved 90 % DOD er ​​30W·h, er den samme-kapacitet ladede energi 30W·h; hvis opladningskapaciteten ved 80 % DOD er ​​50 W·h, er den samme opladede energi- 25 W·h.

② Equal-Capacity Discharged Energy: Energi afladet under samme SOC-ændring (f.eks. 10 %).

③ Gennemsnitlig opladningstid pr. enhedskapacitet /min: Opladningstid / opladningskapacitet.

Fra tabel 3-2 og figur 3-13 kan følgende konklusioner drages:

1) Med stigende afladningsdybde øges opladningstiden, men den gennemsnitlige ladetid pr. enhedskapacitet falder, hvilket betyder, at stigningen i ladetiden ikke er proportional med afladningsdybden.

2) Med stigende afladningsdybde øges andelen af ​​konstant strøm ladetid til den samlede ladetid, og andelen af ​​konstant strøm ladekapacitet til den nødvendige ladekapacitet øges. I virkeligheden er disse karakteristika hovedsageligt forårsaget af to faktorer: For det første kræver en dybere afladningsdybde længere tid at oplade batteriet fuldt ud; for det andet svarer en dybere afladningsdybde til et lavere spændingsområde, hvilket resulterer i, at der lades mindre energi ind i batteriet under samme strøm- og ladetidsforhold.

(3) Temperaturens indflydelse på opladningskarakteristika Lithium-ion-batterier blev opladet under forskellige omgivende temperaturer. Med et 66,2 Ah NCM lithium-ion-batteri som eksempel, blev der brugt en konstant strøm- og spændingsbegrænsende metode. Opladningsparametre blev registreret med ladestrømgrænsen på 1,3 A og 3,3 A, som vist i tabel 3-3. Under den samme afladningsstrøm vil batterispændingen opleve et kraftigt fald, som vist i figur 3-13. Men fordi spændingen forbliver relativt høj, er udladningsenergien stadig høj. I den indledende fase af afladningen øger den energi, der forbruges af batteriets indre modstand, batteriets temperatur, øger aktiviteten af ​​lithium-ion-batteriets aktive materialer og hæver batterispændingen og øger dermed den energi, der kan frigives. I de midterste og senere stadier af afladningen falder batterispændingen, og den frigivne energi pr. tidsenhed falder tilsvarende.

Ved samme temperatur og med samme udladningstermineringsspænding vil forskellige udladningstermineringsstrømme resultere i forskelle i den frigivne kapacitet og energi. Generelt, under normale temperaturforhold, jo lavere strømmen er, jo større kapacitet og energi frigives. Som i udledningsforsøget nævnt ovenfor, frigiver 0,2C 3,2% mere kapacitet og energi end 1C.