كيفية قراءة منحنى تفريغ البطارية

كيفية قراءة منحنى تفريغ البطارية

البطاريات عبارة عن أنظمة كهروكيميائية وديناميكية حرارية معقدة، وتؤثر عوامل متعددة على أدائها. وبطبيعة الحال، كيمياء البطارية هي العامل الأكثر أهمية. ومع ذلك، عند فهم نوع البطارية الأكثر ملاءمة لتطبيق معين، من الضروري أيضًا مراعاة عوامل مثل معدل تفريغ الشحن، ودرجة حرارة التشغيل، وظروف التخزين، وتفاصيل الهيكل المادي. في البداية يجب تعريف عدة مصطلحات:

★ جهد الدائرة المفتوحة (Voc) هو الجهد بين أطراف البطارية عندما لا يكون هناك حمل على البطارية.

★ الجهد الطرفي (Vt) هو الجهد بين أطراف البطارية عند تطبيق الحمل على البطارية. عادة أقل من المركبات العضوية المتطايرة.

جهد القطع (Vco) هو الجهد الذي يتم عنده تفريغ البطارية بالكامل، كما هو محدد. على الرغم من وجود طاقة متبقية في البطارية عادةً، إلا أن التشغيل بجهد أقل من Vco قد يؤدي إلى تلف البطارية.

★ تقيس السعة إجمالي ساعات الأمبير (AH) التي يمكن أن توفرها البطارية عند شحنها بالكامل، حتى يصل Vt إلى Vco.

معدل تفريغ الشحن (C-Rate) هو المعدل الذي يتم به شحن البطارية أو تفريغها بالنسبة لسعتها المقدرة. على سبيل المثال، سيؤدي معدل 1C إلى شحن البطارية أو تفريغها بالكامل خلال ساعة واحدة. عند معدل تفريغ يبلغ 0.5 درجة مئوية، سيتم تفريغ البطارية بالكامل خلال ساعتين. عادةً ما يؤدي استخدام معدل C أعلى إلى تقليل سعة البطارية المتوفرة وقد يؤدي إلى تلف البطارية.

★ تحدد حالة شحن البطارية (SoC) سعة البطارية المتبقية كنسبة مئوية من السعة القصوى. عندما تصل SoC إلى الصفر ويصل Vt إلى Vco، قد تظل هناك طاقة بطارية متبقية في البطارية، ولكن دون إتلاف البطارية والتأثير على السعة المستقبلية، لا يمكن تفريغ البطارية بشكل أكبر.

★ عمق التفريغ (DoD) هو مكمل لـ SoC، والذي يقيس النسبة المئوية لسعة البطارية التي تم تفريغها؛ DoD=100- شركة نفط الجنوب.

① عمر الدورة هو عدد الدورات المتاحة قبل أن تصل البطارية إلى نهاية عمر الخدمة.

تشير نهاية عمر البطارية (EoL) إلى عدم قدرة البطارية على العمل وفقًا للحد الأدنى من المواصفات المحددة مسبقًا. يمكن قياس موسوعة الحياة بطرق مختلفة:

① يعتمد تناقص السعة على نسبة الانخفاض المحددة في سعة البطارية مقارنة بالسعة المقدرة في ظل ظروف محددة.

② يعتمد توهين الطاقة على الطاقة القصوى للبطارية بنسبة مئوية معينة مقارنة بالطاقة المقدرة في ظل ظروف محددة.

③ يحدد إنتاجية الطاقة إجمالي كمية الطاقة التي من المتوقع أن تعالجها البطارية خلال عمرها الافتراضي، مثل 30 ميجاوات في الساعة، بناءً على ظروف تشغيل محددة.

★ الحالة الصحية (SoH) للبطارية تقيس النسبة المئوية للعمر الإنتاجي المتبقي قبل الوصول إلى EoL.

منحنى الاستقطاب

يتم تشكيل منحنى تفريغ البطارية بناءً على تأثير استقطاب البطارية الذي يحدث أثناء عملية التفريغ. ترتبط كمية الطاقة التي يمكن أن توفرها البطارية في ظل ظروف تشغيل مختلفة، مثل معدل C ودرجة حرارة التشغيل، ارتباطًا وثيقًا بالمنطقة الموجودة أسفل منحنى التفريغ. أثناء عملية التفريغ، سينخفض ​​حجم البطارية. يرتبط الانخفاض في Vt بعدة عوامل رئيسية:

✔ انخفاض الأشعة تحت الحمراء - انخفاض جهد البطارية الناتج عن مرور التيار عبر المقاومة الداخلية للبطارية. ويزداد هذا العامل خطياً بمعدل تفريغ مرتفع نسبياً، مع ثبات درجة الحرارة.

✔ استقطاب التنشيط - يشير إلى عوامل التباطؤ المختلفة المتعلقة بحركية التفاعلات الكهروكيميائية، مثل وظيفة العمل التي يجب أن تتغلب عليها الأيونات عند الوصل بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات.

✔ استقطاب التركيز - يأخذ هذا العامل في الاعتبار المقاومة التي تواجهها الأيونات أثناء نقل الكتلة (الانتشار) من قطب كهربائي إلى آخر. ويهيمن هذا العامل عندما تكون بطاريات الليثيوم أيون فارغة بالكامل، ويصبح انحدار المنحنى شديد الانحدار.

يُظهر منحنى الاستقطاب (منحنى التفريغ) للبطارية التأثيرات التراكمية لانخفاض الأشعة تحت الحمراء واستقطاب التنشيط واستقطاب التركيز على Vt (إمكانية البطارية). (الصورة: بيولوجيك)

اعتبارات منحنى التفريغ

تم تصميم البطاريات لمجموعة واسعة من التطبيقات وتوفر خصائص أداء متنوعة. على سبيل المثال، هناك ما لا يقل عن ستة أنظمة كيميائية أساسية لأيون الليثيوم، ولكل منها مجموعة ميزات فريدة خاصة به. عادةً ما يتم رسم منحنى التفريغ باستخدام Vt على المحور Y، بينما يتم رسم SoC (أو DoD) على المحور X. نظرًا للارتباط بين أداء البطارية والمعلمات المختلفة مثل معدل C ودرجة حرارة التشغيل، فإن كل نظام كيميائي للبطارية لديه سلسلة من منحنيات التفريغ بناءً على مجموعات محددة من معلمات التشغيل. على سبيل المثال، يقارن الشكل التالي أداء التفريغ لنظامين كيميائيين شائعين من نوع ليثيوم أيون وبطاريات الرصاص الحمضية في درجة حرارة الغرفة ومعدل تفريغ قدره 0.2 درجة مئوية. شكل منحنى التفريغ له أهمية كبيرة للمصممين.

يمكن لمنحنى التفريغ المسطح أن يبسط تصميمات تطبيقات معينة، حيث يظل جهد البطارية مستقرًا نسبيًا طوال دورة التفريغ بأكملها. من ناحية أخرى، يمكن لمنحنى المنحدر أن يبسط تقدير الشحنة المتبقية، حيث أن جهد البطارية يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالشحنة المتبقية في البطارية. ومع ذلك، بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون ذات منحنيات التفريغ المسطحة، يتطلب تقدير الشحن المتبقي طرقًا أكثر تعقيدًا، مثل عد كولوم، الذي يقيس تيار تفريغ البطارية ويدمج التيار بمرور الوقت لتقدير الشحن المتبقي.

بالإضافة إلى ذلك، تواجه البطاريات ذات منحنيات التفريغ المائلة للأسفل انخفاضًا في الطاقة طوال دورة التفريغ بأكملها. قد تكون هناك حاجة إلى بطارية "ذات حجم زائد" لدعم التطبيقات عالية الطاقة في نهاية دورة التفريغ. عادةً ما يكون من الضروري استخدام منظم الجهد المعزز لتشغيل الأجهزة والأنظمة الحساسة التي تستخدم البطاريات ذات منحنيات التفريغ الحادة.

فيما يلي منحنى التفريغ لبطارية الليثيوم أيون، والذي يوضح أنه إذا تم تفريغ البطارية بمعدل مرتفع جدًا (أو العكس، بمعدل منخفض)، فإن السعة الفعالة ستنخفض (أو تزيد). وهذا ما يسمى تحول القدرة، وهذا التأثير شائع في معظم أنظمة كيمياء البطاريات.

ينخفض ​​جهد وقدرة بطاريات الليثيوم أيون مع زيادة معدل C. (الصورة: ريتشتيك)

تعد درجة حرارة العمل معلمة مهمة تؤثر على أداء البطارية. في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، قد تتجمد البطاريات التي تحتوي على إلكتروليتات مائية، مما يحد من الحد الأدنى لنطاق درجة حرارة التشغيل الخاصة بها. يمكن أن تتعرض بطاريات أيونات الليثيوم لترسب الليثيوم القطبي السالب في درجات حرارة منخفضة، مما يقلل من قدرتها بشكل دائم. في درجات الحرارة المرتفعة، قد تتحلل المواد الكيميائية وقد تتوقف البطارية عن العمل. بين التجمد والتلف الكيميائي، يختلف أداء البطارية بشكل كبير مع تغيرات درجة الحرارة.

ويوضح الشكل التالي تأثير درجات الحرارة المختلفة على أداء بطاريات الليثيوم أيون. في درجات حرارة منخفضة للغاية، قد ينخفض ​​​​الأداء بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فإن منحنى تفريغ البطارية ليس سوى جانب واحد من جوانب أداء البطارية. على سبيل المثال، كلما زاد الانحراف بين درجة حرارة تشغيل بطاريات الليثيوم أيون ودرجة حرارة الغرفة (سواء في درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة)، انخفض عمر الدورة. بالنسبة لتطبيقات محددة، فإن التحليل الكامل لجميع العوامل التي تؤثر على إمكانية تطبيق الأنظمة الكيميائية المختلفة للبطارية يقع خارج نطاق منحنى تفريغ البطارية في هذه المقالة. مثال على الطرق الأخرى لتحليل أداء البطاريات المختلفة هو مخطط لاجون.

يعتمد جهد البطارية وقدرتها على درجة الحرارة. (الصورة: ريتشتيك)

مؤامرات لاجون

يقارن مخطط Lagoon بين الطاقة المحددة والطاقة المحددة لتقنيات تخزين الطاقة المختلفة. على سبيل المثال، عند النظر في بطاريات السيارات الكهربائية، ترتبط الطاقة المحددة بالمدى، بينما تتوافق الطاقة المحددة مع أداء التسارع.

مخطط راجون يقارن العلاقة بين الطاقة المحددة والقوة المحددة للتقنيات المختلفة. (الصورة: بوابة الأبحاث)

يعتمد مخطط Lagoon على كثافة الطاقة الجماعية وكثافة الطاقة، ولا يتضمن أي معلومات تتعلق بمعلمات الحجم. على الرغم من أن عالم المعادن ديفيد في. لاجون قام بتطوير هذه المخططات لمقارنة أداء كيمياء البطاريات المختلفة، إلا أن مخطط لاجون مناسب أيضًا لمقارنة أي مجموعة من أجهزة تخزين الطاقة وأجهزة الطاقة، مثل المحركات وتوربينات الغاز وخلايا الوقود.

النسبة بين الطاقة المحددة على المحور Y والطاقة المحددة على المحور X هي عدد الساعات التي يعمل فيها الجهاز بالطاقة المقدرة. ولا يؤثر حجم الجهاز على هذه العلاقة، حيث أن الأجهزة الأكبر حجمًا ستتمتع بقدرة وسعة طاقة أعلى نسبيًا. المنحنى المتزامن الذي يمثل وقت التشغيل الثابت على مخطط Lagoon هو خط مستقيم.

ملخص

من المهم فهم منحنى تفريغ البطارية والمعلمات المختلفة التي تشكل عائلة منحنى التفريغ المتعلقة بكيمياء البطارية المحددة. نظرًا للأنظمة الكهروكيميائية والديناميكية الحرارية المعقدة، فإن منحنيات تفريغ البطاريات معقدة أيضًا، ولكنها ليست سوى وسيلة لفهم مقايضات الأداء بين كيمياء البطارية وهياكلها المختلفة.