نظرية شحن وتفريغ بطارية الليثيوم

نظرية شحن وتفريغ بطارية الليثيوم

1.1 حالة الشحن (SOC)

يمكن تعريف حالة الشحن بأنها حالة الطاقة الكهربائية المتاحة في البطارية، ويتم التعبير عنها عادة كنسبة مئوية. نظرًا لأن الطاقة الكهربائية المتاحة تختلف اعتمادًا على تيار الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة وظاهرة الشيخوخة، فإن تعريف حالة الشحن ينقسم أيضًا إلى نوعين: حالة الشحن المطلقة (ASOC) وحالة الشحن النسبية (RSOC). يتراوح نطاق الحالة النسبية للشحن عادة من 0% إلى 100%، بينما تكون البطارية 100% عند الشحن الكامل و0% عند تفريغها بالكامل. حالة الشحن المطلقة هي قيمة مرجعية يتم حسابها بناءً على قيمة السعة الثابتة المصممة عند تصنيع البطارية. تبلغ الحالة المطلقة للشحن للبطارية الجديدة تمامًا المشحونة بالكامل 100%؛ حتى لو كانت البطارية القديمة مشحونة بالكامل، فلا يمكنها الوصول إلى 100% في ظل ظروف الشحن والتفريغ المختلفة.

ويوضح الشكل التالي العلاقة بين الجهد وسعة البطارية في ظل معدلات تفريغ مختلفة. كلما زاد معدل التفريغ، انخفضت سعة البطارية. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة، ستنخفض سعة البطارية أيضًا.

                          الشكل 1. العلاقة بين الجهد والقدرة تحت معدلات التفريغ ودرجات الحرارة المختلفة

1.2 أقصى جهد للشحن

يرتبط أعلى جهد شحن بالتركيب الكيميائي وخصائص البطارية. عادة ما يكون جهد شحن بطاريات الليثيوم 4.2 فولت و4.35 فولت، وقد تختلف قيم الجهد حسب مواد الكاثود والأنود.

1.3 مشحونة بالكامل

عندما يكون الفرق بين جهد البطارية وأعلى جهد شحن أقل من 100 مللي فولت، وينخفض ​​تيار الشحن إلى C/10، يمكن اعتبار البطارية مشحونة بالكامل. تختلف خصائص البطاريات، وتختلف أيضًا شروط الشحن الكامل.

يوضح الشكل التالي منحنى نموذجي لشحن بطارية الليثيوم. عندما يكون جهد البطارية مساويًا لأعلى جهد شحن وينخفض ​​تيار الشحن إلى C/10، تعتبر البطارية مشحونة بالكامل.

                             الشكل 2. المنحنى المميز لشحن بطارية الليثيوم

1.4 الحد الأدنى من جهد التفريغ

يمكن تعريف الحد الأدنى لجهد التفريغ على أنه جهد التفريغ المقطوع، وعادة ما يكون الجهد عند حالة شحن 0%. قيمة الجهد هذه ليست قيمة ثابتة، ولكنها تتغير مع الحمل، درجة الحرارة، درجة الشيخوخة، أو عوامل أخرى.

1.5 التفريغ الكامل

عندما يكون جهد البطارية أقل من أو يساوي الحد الأدنى لجهد التفريغ، يمكن أن يطلق عليه التفريغ الكامل.

1.6 معدل تفريغ الشحنة (C-Rate)

معدل تفريغ الشحنة هو تمثيل لتيار تفريغ الشحنة بالنسبة لسعة البطارية. على سبيل المثال، إذا تم استخدام 1C للتفريغ لمدة ساعة واحدة، فمن الناحية المثالية، سيتم تفريغ البطارية بالكامل. ستؤدي معدلات الشحن والتفريغ المختلفة إلى اختلاف السعات المتاحة. عادة، كلما ارتفع معدل تفريغ الشحنة، قلت السعة المتاحة.

1.7 دورة الحياة

عدد الدورات هو عدد المرات التي خضعت فيها البطارية لعملية الشحن والتفريغ الكاملة، والتي يمكن تقديرها من سعة التفريغ الفعلية والقدرة التصميمية. وعندما تتساوى سعة التفريغ المتراكمة مع السعة التصميمية يكون عدد الدورات واحدة. عادةً، بعد 500 دورة شحن وتفريغ، ستنخفض سعة البطارية المشحونة بالكامل بنسبة 10% إلى 20%.

                          الشكل 3. العلاقة بين أوقات الدورة وسعة البطارية

1.8 التفريغ الذاتي

سيزداد التفريغ الذاتي لجميع البطاريات مع زيادة درجة الحرارة. التفريغ الذاتي ليس في الأساس عيبًا في التصنيع، بل هو سمة من سمات البطارية نفسها. ومع ذلك، فإن التعامل غير السليم أثناء عملية التصنيع يمكن أن يؤدي أيضًا إلى زيادة التفريغ الذاتي. عادة، مقابل كل 10 درجات مئوية زيادة في درجة حرارة البطارية، يتضاعف معدل التفريغ الذاتي. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بقدرة تفريغ ذاتي شهرية تبلغ حوالي 1-2%، بينما تتمتع البطاريات المختلفة القائمة على النيكل بقدرة تفريغ ذاتي شهرية تبلغ 10-15%.

                             الشكل 4. أداء معدل التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم عند درجات حرارة مختلفة