Nola irakurri bateriaren deskarga-kurba

Nola irakurri bateriaren deskarga-kurba

Pilak sistema elektrokimiko eta termodinamiko konplexuak dira, eta hainbat faktorek eragiten dute haien errendimenduan. Noski, bateriaren kimika faktore garrantzitsuena da. Hala ere, aplikazio zehatz baterako zein bateria mota den egokiena ulertzerakoan, karga-deskarga-tasa, funtzionamendu-tenperatura, biltegiratze-baldintzak eta egitura fisikoaren xehetasunak bezalako faktoreak ere kontuan hartu behar dira. Lehenik eta behin, hainbat termino zehaztu behar dira:

★ Zirkuitu irekiko tentsioa (Voc) baterian kargarik ez dagoenean bateriaren borneen arteko tentsioa da.

★ Borneko tentsioa (Vt) bateriaren terminalen arteko tentsioa da karga bateriari aplikatzen zaionean; Normalean Voc baino baxuagoa.

Mozte-tentsioa (Vco) bateria guztiz deskargatzen den tentsioa da, zehaztu bezala. Normalean bateriaren energia geratzen den arren, Vco azpiko tentsio batean jarduteak bateria kaltetu dezake.

★ Ahalmenak bateriak guztiz kargatuta dagoenean eman ditzakeen ampere-ordu (AH) guztira neurtzen ditu, Vt Vco-ra iritsi arte.

Karga-deskarga-tasa (C-Rate) bateria bat kargatu edo deskargatzen den abiadura da, bere ahalmen nominalarekiko. Adibidez, 1C-ko tasak bateria guztiz kargatu edo deskargatuko du ordubeteko epean. 0,5 C-ko deskarga-tasa batean, bateria guztiz deskargatuko da 2 orduko epean. C-tasa handiagoa erabiltzeak normalean bateriaren edukiera murrizten du eta bateria kaltetu dezake.

★ Bateria kargatzeko egoerak (SoC) bateriaren gainerako edukiera gehienezko edukieraren ehuneko gisa kuantifikatzen du. SoC zerora iristen denean eta Vt Vcora iristen denean, baliteke bateriaren energia gera dadin oraindik, baina bateria kaltetu gabe eta etorkizuneko gaitasunari eragin gabe, bateria ezin da gehiago deskargatu.

★ Deskarga-sakonera (DoD) SoC-ren osagarri bat da, zeinak deskargatu den bateriaren edukieraren ehunekoa neurtzen du; DoD=100- SoC.

① Ziklo-bizitza bateriak zerbitzu-bizitzaren amaierara iritsi baino lehen eskuragarri dauden ziklo kopurua da.

Bateriaren iraupenaren amaiera (EoL) bateriak aurrez zehaztutako gutxieneko zehaztapenen arabera funtzionatzeko duen ezintasunari esaten zaio. EoL hainbat modutan kuantifikatu daiteke:

① Ahalmenaren gainbehera bateriaren edukieraren portzentajearen murrizketan oinarritzen da, zehaztutako baldintzetan gaitasun nominalarekin alderatuta.

② Potentzia murriztea bateriaren potentzia maximoan oinarritzen da ehuneko jakin batean, zehaztutako baldintzetan potentzia nominalarekin alderatuta.

③ Energia-emisioak bateria batek bere bizitzan zehar prozesatu behar duen energia-kopurua zenbatzen du, adibidez, 30 MWh, funtzionamendu-baldintza zehatzetan oinarrituta.

★ Bateriaren osasun-egoerak (SoH) EoL-ra iritsi aurretik geratzen den bizitza erabilgarriaren ehunekoa neurtzen du.

Polarizazio-kurba

Bateriaren deskarga-kurba deskarga-prozesuan gertatzen den bateriaren polarizazio-efektuan oinarritzen da. Bateriak funtzionamendu-baldintza ezberdinetan eman dezakeen energia kopurua, hala nola, C-tasa eta funtzionamendu-tenperatura, estuki lotuta dago deskarga-kurbaren azpian dagoen eremuarekin. Deskarga prozesuan, bateriaren Vt-a gutxituko da. Vt-ren beherakada hainbat faktore nagusirekin lotuta dago:

✔ IR jaitsiera - bateriaren barne-erresistentziatik igarotzen den korronteak eragindako bateria-tentsioaren jaitsiera. Faktore hori linealki handitzen da isurketa-abiadura nahiko altuan, tenperatura konstantearekin.

✔ Aktibazio-polarizazioa - erreakzio elektrokimikoen zinetikarekin lotutako dezelerazio-faktoreei dagokie, hala nola ioiek elektrodoen eta elektrolitoen arteko elkargunean gainditu behar duten lan-funtzioa.

✔ Kontzentrazioaren polarizazioa - Faktore honek elektrodo batetik bestera masa-transferentzian (difusioan) ioiek jasaten duten erresistentzia hartzen du kontuan. Faktore hori nagusitzen da litio-ioizko bateriak guztiz deskargatzen direnean, eta kurbaren malda oso gogorra bihurtzen da.

Bateriaren polarizazio-kurbak (deskarga-kurbak) IR gutxitzearen, aktibazio-polarizazioaren eta kontzentrazio-polarizazioaren Vt-en (bateriaren potentzialaren) eragin metatuak erakusten ditu. (Irudia: BioLogic)

Deskarga-kurbaren gogoetak

Bateriak aplikazio ugaritarako diseinatu dira eta hainbat errendimendu ezaugarri eskaintzen dituzte. Esate baterako, gutxienez sei oinarrizko litio ioi sistema kimiko daude, bakoitzak bere ezaugarri multzo berezia duena. Deskarga-kurba normalean Vt-rekin marraztu ohi da Y ardatzean, SoC (edo DoD) X ardatzean. Bateriaren errendimenduaren eta C-tasa eta funtzionamendu-tenperatura bezalako hainbat parametroren arteko korrelazioa dela eta, bateria-sistema kimiko bakoitzak funtzionamendu-parametro konbinazio espezifikoetan oinarritutako deskarga-kurba batzuk ditu. Esate baterako, hurrengo irudiak litio-ioizko bi sistema kimiko arrunten eta berun-azido baterien deskarga-errendimendua alderatzen du giro-tenperaturan eta 0,2C-ko deskarga-tasa. Deskarga-kurbaren formak garrantzi handia du diseinatzaileentzat.

Deskarga-kurba lauak aplikazio-diseinu jakin batzuk erraztu ditzake, bateriaren tentsioa nahiko egonkorra baita deskarga-ziklo osoan zehar. Bestalde, malda-kurbak hondar-kargaren estimazioa erraz dezake, bateriaren tentsioa bateriaren hondar-kargarekin oso lotuta baitago. Hala ere, deskarga-kurba lauak dituzten litio-ioizko piletarako, hondar-karga kalkulatzeko metodo konplexuagoak behar dira, Coulomb-en zenbaketa adibidez, zeinak bateriaren deskarga-korrontea neurtzen du eta denboran zehar korrontea integratzen du hondar-karga kalkulatzeko.

Gainera, deskarga-kurba beheranzko malda duten bateriek potentzia gutxitzen dute deskarga-ziklo osoan zehar. Baliteke "gehiegizko tamaina" bateria behar izatea potentzia handiko aplikazioak onartzeko, deskarga-zikloaren amaieran. Deskarga-kurba zorrotzak dituzten bateriak erabiltzen dituzten gailu eta sistema sentikorrak elikatzeko boost-tentsio-erreguladore bat erabiltzea beharrezkoa da normalean.

Jarraian, litio-ioizko bateria baten deskarga-kurba da, eta horrek erakusten du bateria oso abiadura handian deskargatzen bada (edo alderantziz, abiadura baxuan), ahalmen eraginkorra gutxitu (edo handitu) egingo dela. Horri gaitasun-aldaketa deritzo, eta efektu hori ohikoa da bateriaren kimika-sistema gehienetan.

Litio-ioizko baterien tentsioa eta ahalmena gutxitzen dira C tasa handitzean. (Irudia: Richtek)

Lan-tenperatura bateriaren errendimenduan eragiten duen parametro garrantzitsua da. Tenperatura oso baxuetan, uretan oinarritutako elektrolitoak dituzten bateriak izoztu egin daitezke, funtzionamendu-tenperatura-tartearen beheko muga mugatuz. Litio-ioizko bateriek elektrodo negatiboa den litio-jarrerak jasan ditzakete tenperatura baxuetan, ahalmena etengabe murriztuz. Tenperatura altuetan, produktu kimikoak deskonposa daitezke eta bateriak funtzionatzeari utz dezake. Izoztearen eta kalte kimikoen artean, bateriaren errendimendua nabarmen aldatzen da normalean tenperatura aldaketekin.

Hurrengo irudian tenperatura ezberdinek litio-ioizko baterien errendimenduan duten eragina erakusten du. Tenperatura oso baxuetan, errendimendua nabarmen gutxitu daiteke. Hala ere, bateriaren deskarga-kurba bateriaren errendimenduaren alderdi bat baino ez da. Adibidez, zenbat eta handiagoa izan litio-ioizko baterien funtzionamendu-tenperaturaren eta giro-tenperaturaren arteko desbideraketa (tenperatura altuetan edo baxuetan), orduan eta ziklo-bizitza txikiagoa izango da. Aplikazio espezifikoetarako, bateria-sistema kimiko ezberdinen aplikagarritasunari eragiten dioten faktore guztien azterketa osoa artikulu honen bateriaren deskarga-kurbaren esparrutik kanpo dago. Bateria ezberdinen errendimendua aztertzeko beste metodo batzuen adibidea Lagone lursaila da.

Bateriaren tentsioa eta edukiera tenperaturaren araberakoak dira. (Irudia: Richtek)

Lagoneko lursailak

Lagoon diagramak energia biltegiratzeko teknologia ezberdinen potentzia espezifikoa eta energia espezifikoa alderatzen ditu. Adibidez, ibilgailu elektrikoen bateriak kontuan hartuta, energia espezifikoa irismenarekin erlazionatuta dago, eta potentzia espezifikoa azelerazio-errendimenduari dagokio.

Hainbat teknologiaren energia espezifikoen eta potentzia espezifikoen arteko erlazioa konparatzen duen Ragone diagrama. (Irudia: Researchgate)

Lagoon diagrama masa-energia-dentsitatean eta potentzia-dentsitatean oinarritzen da, eta ez du bolumen-parametroekin lotutako informaziorik jasotzen. David V. Lagone metalurgiak diagrama hauek bateria-kimika ezberdinen errendimendua alderatzeko garatu baziren ere, Lagone diagrama egokia da energia biltegiratzeko eta energia-gailuen edozein multzo alderatzeko ere, hala nola motorrak, gas-turbinak eta erregai-pilak.

Y ardatzeko energia espezifikoaren eta X ardatzeko potentzia espezifikoaren arteko erlazioa gailuak potentzia nominalarekin funtzionatzen duen ordu kopurua da. Gailuaren tamainak ez du erlazio horretan eragiten, gailu handiagoek proportzionalki potentzia eta energia-gaitasun handiagoa izango baitute. Lagoon diagraman funtzionamendu-denbora konstantea adierazten duen kurba isokronoa zuzen bat da.

Laburpen

Garrantzitsua da bateria baten deskarga-kurba eta bateriaren kimika espezifikoarekin erlazionatutako deskarga-kurba familia osatzen duten hainbat parametro ulertzea. Sistema elektrokimiko eta termodinamiko konplexuak direla eta, baterien deskarga-kurbak ere konplexuak dira, baina bateriaren kimika eta egitura ezberdinen arteko errendimendu-konpromisoak ulertzeko modu bat baino ez dira.