ما هي خصائص الشحن والتفريغ؟

ما هي خصائص الشحن والتفريغ؟

تستخدم بطاريات الليثيوم-أيون عادةً طريقة شحن على مرحلتين-لضمان السلامة والموثوقية وكفاءة الشحن. المرحلة الأولى هي تيار ثابت مع تحديد الجهد، والمرحلة الثانية هي جهد ثابت مع تحديد التيار. يختلف الحد الأقصى للجهد الكهربي لشحن بطارية أيون الليثيوم- اعتمادًا على مادة الكاثود. تظهر منحنيات جهد الشحن/التفريغ الأساسية لبطارية أيون الليثيوم- في الشكل 3-11. تستخدم المنحنيات الموجودة في الشكل تيار شحن/تفريغ قدره C/3. بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون المختلفة، فإن الاختلافات الرئيسية ذات شقين:

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

1) تختلف قيمة التيار الثابت الأمثل للمرحلة الأولى حسب مادة كاثود البطارية وعملية التصنيع. بشكل عام، يتم استخدام النطاق الحالي من 0.2C إلى 0.3C. في حالات الاستهلاك السريع للطاقة، يمكن استخدام معدلات 1C أو 2C أو حتى أعلى.

2) تظهر بطاريات أيون الليثيوم- المختلفة اختلافات كبيرة في مدة التيار الثابت، كما تختلف أيضًا نسبة السعة التي يمكن شحنها بالتيار الثابت إلى السعة الإجمالية بشكل كبير. من منظور التطبيقات العملية للسيارات الكهربائية، تؤدي المدة الحالية الثابتة الأطول إلى وقت شحن إجمالي أقصر، وهو أكثر فائدة للتطبيقات.

يكون جهد بطارية أيون الليثيوم- مستقرًا وينخفض ببطء في المراحل المبكرة والمتوسطة من التفريغ، ولكنه ينخفض بسرعة في المراحل اللاحقة، كما هو موضح في الجزء DE من الشكل 3-11. يعد التحكم الفعال أمرًا بالغ الأهمية خلال هذه المرحلة لمنع الإفراط في التفريغ والضرر الذي لا يمكن إصلاحه للبطارية.

(1) تأثيرالشحن الحاليفيما يتعلق بخصائص الشحن، خذ بطارية أيون ليثيوم - معينة من نوع NCM ذات سعة مقدرة تبلغ 242 أمبير · ساعة كمثال، في ظل ظروف SOC =0% ودرجة حرارة ثابتة تبلغ 20 درجة، تم استخدام معدلات شحن مختلفة للشحن. تظهر نتائج المعلمة في الجدول 3-1 ويظهر منحنى الشحن في الشكل 3-12.

الحالي/أ (المعدل)	CC-CV①الوقت الإجمالي	الوقت الحالي المستمر / ثانية	إجمالي السعة المشحونة/A·h	إجمالي الطاقة المشحونة / واط · ساعة	القدرة الحالية المشحونة الثابتة / A·h	الجهد المستمر الطاقة المشحونة / واط · ساعة	170A·hالوقت/الثانية	170 أمبير·ساعةالتيار/أ
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، التيار المستمر؛ السيرة الذاتية، الجهد المستمر.

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

كما هو موضح في الجدول 3-1، يتناقص الوقت الحالي الثابت تدريجيًا مع زيادة تيار الشحن، كما تنخفض أيضًا السعة والطاقة التي يمكن شحنها في ظل تيار ثابت تدريجيًا. مع أخذ قدرة الشحن والتفريغ البالغة 1/2 (أي SOC=50%) كمعيار قياسي، يتناقص وقت الشحن المطلوب مع زيادة تيار الشحن؛ الوقت المطلوب لـ 0.1 درجة مئوية هو حوالي 5 أضعاف الوقت المطلوب لـ 0.5 درجة مئوية. في ظل هذه الحالة، يكون الفرق الحالي للشحن المستمر صغيرًا، وبالتالي فإن وقت الشحن لآخر 30 أمبير · ساعة لا يختلف بشكل كبير. لذلك، ضمن تيار الشحن المسموح به للبطارية، فإن زيادة تيار الشحن، على الرغم من تقليل السعة والطاقة التي يمكن شحنها في ظل تيار ثابت، تساعد على تقليل وقت الشحن الإجمالي. في التطبيقات العملية لحزمة البطارية، يمكن استخدام الحد الأقصى لتيار الشحن المسموح به لبطارية الليثيوم أيون للشحن، وبعد الوصول إلى حد الجهد، يمكن إجراء شحن الجهد المستمر. وهذا يقلل من وقت الشحن مع ضمان سلامة الشحن. ومع ذلك، فإن زيادة تيار الشحن سيؤدي أيضًا إلى زيادة فقدان الطاقة بسبب المقاومة الداخلية للبطارية. يتم حساب الطاقة المستهلكة في المقاومة الداخلية حسب المعادلة (3-4).

Factors affecting charging characteristics

حيث E هي الطاقة التي تستهلكها المقاومة الداخلية؛

r هي المقاومة الداخلية للبطارية؛

t هو متغير وقت الشحن؛

أنا هو تيار الشحن.

t₁ وt₂ هما أوقات بدء وانتهاء الشحن.

لقد أثبت الاختبار الشامل أن المقاومة الداخلية لبطاريات أيون الليثيوم- تتغير في نطاق 0.4 مللي أوم أثناء الشحن. ولذلك فإن المعادلة (3-4) توضح أن استهلاك الطاقة بسبب المقاومة الداخلية للبطارية يرتبط بشكل أساسي خطياً بزمن الشحن، ولكنه يرتبط بشكل تربيعي بتيار الشحن. خلال مرحلة الشحن بتيار ثابت، يكون حجم تيار الشحن هو العامل الأساسي الذي يؤثر على استهلاك طاقة المقاومة الداخلية؛ يؤدي تيار الشحن الأعلى إلى استهلاك أكبر للطاقة. خلال مرحلة الجهد الثابت والتيار المنخفض، يصبح وقت الشحن هو العامل الأساسي الذي يؤثر على استهلاك طاقة المقاومة الداخلية؛ يؤدي وقت الشحن الأطول إلى استهلاك أكبر للطاقة. بالنظر إلى عملية الشحن بأكملها، حيث أن تيار الشحن له علاقة تربيعية مع استهلاك طاقة المقاومة الداخلية وهو العامل الرئيسي المؤثر عليها، فإن تيار الشحن الأعلى يؤدي إلى استهلاك طاقة مقاومة داخلية أكبر. في التطبيقات العملية للبطارية، يجب اختيار تيار شحن مناسب من خلال النظر بشكل شامل في وقت الشحن وكفاءته.

(2) تأثير عمق التفريغ على خصائص الشحن تحت درجة حرارة ثابتة قدرها 20 درجة، تم إجراء اختبار التفريغ على بطارية أيون الليثيوم - NCM بسعة مقدرة تبلغ 66.2 A·h. تم تفريغ البطارية بمعدل 0.5 درجة مئوية إلى أعماق تفريغ مختلفة (DOD) (10% → 100%)، وهو ما يتوافق مع حالة الشحن (SOC) البالغة 90% → 0%. تم تسجيل بيانات الجهد والتيار والقدرة أثناء عملية التفريغ. وبعد الاستراحة لمدة 60 دقيقة، تم شحن البطارية بمعدل 0.5 درجة مئوية (CC). عند الوصول إلى جهد القطع، تم تحويل وضع الشحن إلى الجهد الثابت (CV). عندما كان التيار أقل من 0.05 درجة مئوية، تم إيقاف العملية، وتم تسجيل بيانات الجهد والتيار والسعة. يتم عرض البيانات ذات الصلة في الجدول 3-2. يوضح الشكل 3-13 منحنيات تيار الشحن لبطارية الليثيوم أيون تحت أعماق مختلفة من ظروف التفريغ.

شركة نفط الجنوب	وزارة الدفاع	تسريح	تكلفة	تساوي-السعة المشحونة للطاقة①/وات·ساعة	تساوي-السعة المفرغة للطاقة②/وات·ساعة	وقت الشحن/دقيقة	الوقت الحالي المستمر / دقيقة	القدرة الحالية المشحونة الثابتة / A·h	متوسط سعة وحدة مؤقت الشحن③/الدقيقة
		السعة/أ·ح	الطاقة / واط · ساعة	السعة/أ·ح	الطاقة / واط · ساعة
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 الطاقة المشحونة المتساوية-السعة: الطاقة المشحونة تحت نفس تغيير SOC (على سبيل المثال، 10%). على سبيل المثال: إذا كانت سعة الشحن عند 90% DOD هي 30W·h، فإن سعة الطاقة المشحونة المتساوية- هي 30W·h؛ إذا كانت سعة الشحن عند 80% DOD هي 50W·h، فإن السعة المساوية للطاقة المشحونة- هي 25W·h.

② الطاقة المتساوية-الطاقة المفرغة: الطاقة التي يتم تفريغها تحت نفس تغيير SOC (على سبيل المثال، 10%).

③ متوسط وقت الشحن لكل سعة وحدة / دقيقة: وقت الشحن / سعة الشحن.

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

من الجدول 3-2 والشكل 3-13 يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:

1) مع زيادة عمق التفريغ، يزداد زمن الشحن، لكن متوسط زمن الشحن لكل وحدة سعة يقل، أي أن زيادة زمن الشحن لا تتناسب مع عمق التفريغ.

2) مع زيادة عمق التفريغ، تزداد نسبة وقت الشحن الحالي الثابت إلى إجمالي وقت الشحن، وتزداد نسبة سعة الشحن الحالية الثابتة إلى سعة الشحن المطلوبة. في الواقع، ترجع هذه الخصائص بشكل أساسي إلى عاملين: أولاً، يتطلب عمق التفريغ الأعمق وقتًا أطول لشحن البطارية بالكامل؛ ثانيًا، يتوافق عمق التفريغ الأعمق مع نطاق جهد أقل، مما يؤدي إلى شحن طاقة أقل إلى البطارية في ظل نفس ظروف التيار ووقت الشحن.

(3) تأثير درجة الحرارة على خصائص الشحن: تم شحن بطاريات أيون الليثيوم- تحت درجات حرارة محيطة مختلفة. بأخذ بطارية أيون الليثيوم -A·h NCM بقدرة 66.2 A·h كمثال، تم استخدام طريقة تحديد التيار والجهد الثابت. تم تسجيل معلمات الشحن بحيث يكون حد تيار الشحن 1.3 أمبير و3.3 أمبير، كما هو موضح في الجدول 3-3. تحت نفس تيار التفريغ، سوف يشهد جهد البطارية انخفاضًا حادًا، كما هو موضح في الشكل 3-13. ومع ذلك، نظرًا لأن الجهد لا يزال مرتفعًا نسبيًا، فإن طاقة التفريغ لا تزال مرتفعة. في المرحلة الأولى من التفريغ، تعمل الطاقة التي تستهلكها المقاومة الداخلية للبطارية على زيادة درجة حرارة البطارية، وتعزز نشاط المواد النشطة في بطارية الليثيوم أيون، وترفع جهد البطارية، وبالتالي زيادة الطاقة التي يمكن إطلاقها. في المراحل المتوسطة والمتأخرة من التفريغ، ينخفض جهد البطارية، وتنخفض الطاقة المنطلقة لكل وحدة زمنية وفقًا لذلك.

عند نفس درجة الحرارة وبنفس جهد إنهاء التفريغ، ستؤدي تيارات إنهاء التفريغ المختلفة إلى اختلافات في السعة والطاقة المنطلقة. بشكل عام، في ظل ظروف درجة الحرارة العادية، كلما انخفض التيار، زادت القدرة والطاقة المنطلقة. كما هو الحال في تجربة التفريغ المذكورة أعلاه، تطلق 0.2 درجة مئوية سعة وطاقة أكبر بنسبة 3.2% من 1 درجة مئوية.

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