Millised on laadimise ja tühjenemise omadused?

Millised on laadimise ja tühjenemise omadused?

Liitium-ioonakud kasutavad tavaliselt kahe-astmelist laadimismeetodit, et tagada ohutus, töökindlus ja laadimise tõhusus. Esimene aste on konstantne vool pingepiiranguga ja teine aste on konstantne pinge voolu piiramisega. Liitium-ioonaku laadimise maksimaalne pingepiirang erineb olenevalt katoodi materjalist. Liitium-ioonaku laadimis-/tühjenemispinge põhikõverad on näidatud joonisel 3-11. Joonisel kujutatud kõverad kasutavad laadimis-/tühjendusvoolu C/3. Erinevate liitium-ioonakude puhul on peamised erinevused kaks:

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

1) Esimese etapi optimaalne konstantse voolu väärtus varieerub sõltuvalt aku katoodi materjalist ja tootmisprotsessist. Üldiselt kasutatakse vooluvahemikku 0,2C kuni 0,3C. Kiire energiatarbimise korral võib kasutada 1C, 2C või isegi kõrgemaid kiirusi.

2) Erinevatel liitium-ioonakudel on konstantse voolu kestuses märkimisväärsed erinevused ning konstantse vooluga laaditava võimsuse osakaal koguvõimsusest erineb samuti oluliselt. Praktiliste elektrisõidukite rakenduste vaatenurgast annab pikem konstantse voolu kestus lühema kogu laadimisaja, mis on rakenduste jaoks kasulikum.

Liitium-ioonaku pinge on stabiilne ja väheneb tühjenemise varases ja keskmises staadiumis aeglaselt, kuid langeb kiiresti hilisemates etappides, nagu on näidatud joonise 3-11 segmendis DE. Tõhus juhtimine on selles etapis ülioluline, et vältida aku liigset tühjenemist ja pöördumatut kahjustumist.

(1) Mõjulaadimisvoollaadimisomadustest Võttes näiteks teatud NCM-liitium-ioonaku nimivõimsusega 242A·h, kasutati SOC=0% ja konstantse 20-kraadise temperatuuri tingimustes laadimiseks erinevaid laadimiskiirusi. Parameetrite tulemused on näidatud tabelis 3-1 ja laadimiskõver on näidatud joonisel 3-12.

Praegune/A (määr)	CC-CV①Kogu aeg	Konstantne praegune aeg/s	Laetud koguvõimsus/A·h	Kokku laetud energia/W·h	Constant Current Charged Capacity/A·h	Constant Voltage Charged Energy/W·h	170A·hAeg/s	170A·hVool/A
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, püsivool; CV, konstantne pinge.

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

Nagu on näidatud tabelis 3-1, väheneb konstantse voolu aeg järk-järgult laadimisvoolu suurenedes ning ka võimsus ja energia, mida saab konstantse voolu all laadida, väheneb järk-järgult. Võttes standardseks laadimis- ja tühjendusvõimsuseks 1/2 (st SOC=50%), väheneb vajalik laadimisaeg laadimisvoolu suurenedes; 0,1C jaoks kuluv aeg on ligikaudu 5 korda pikem kui 0,5C jaoks. Selle tingimuse korral on pideva laadimise voolu erinevus väike, seega ei erine viimase 30A·h laadimisaeg oluliselt. Seetõttu aitab laadimisvoolu suurendamine aku lubatud laadimisvoolu piires vähendada kogu laadimisaega, kuigi see vähendab konstantse voolu all laetavat mahtu ja energiat. Praktilistes akupakirakendustes saab laadimiseks kasutada liitium-ioonaku maksimaalset lubatud laadimisvoolu ning peale pingepiiri saavutamist saab teostada pideva pingega laadimist. See vähendab laadimisaega, tagades samal ajal laadimise ohutuse. Laadimisvoolu suurendamine toob aga kaasa ka aku sisemise takistuse tõttu energiakadude suurenemise. Sisetakistuses kuluv energia arvutatakse võrrandi (3-4) järgi.

Factors affecting charging characteristics

kus E on sisetakistuse poolt tarbitud energia;

r on aku sisetakistus;

t on laadimisaja muutuja;

I on laadimisvool;

t₁ ja t₂ on laadimise algus- ja lõppajad.

Ulatuslikud testid on näidanud, et liitium{0}}ioonakude sisetakistus muutub laadimise ajal 0,4 mΩ piires. Seetõttu näitab võrrand (3-4), et aku sisetakistusest tulenev energiatarbimine on sisuliselt lineaarselt seotud laadimisajaga, kuid ruutkeskmiselt seotud laadimisvooluga. Püsivoolu laadimisetapi ajal on laadimisvoolu suurus esmane sisetakistuse energiatarbimist mõjutav tegur; suurem laadimisvool toob kaasa suurema energiatarbimise. Pideva pinge ja madala voolu staadiumis muutub laadimisaeg esmaseks sisetakistuse energiatarbimist mõjutavaks teguriks; pikem laadimisaeg toob kaasa suurema energiakulu. Arvestades kogu laadimisprotsessi, kuna laadimisvoolul on ruutsuhe sisetakistuse energiatarbimisega ja see on seda peamine mõjutav tegur, toob suurem laadimisvool kaasa suurema sisetakistuse energiatarbimise. Praktilistes akurakendustes tuleks sobiv laadimisvool valida nii laadimisaega kui ka tõhusust igakülgselt kaaludes.

(2) Tühjenemissügavuse mõju laadimisomadustele Konstantsel temperatuuril 20 kraadi viidi läbi tühjenemise test NCM-i liitium{2}}ioonakuga nimivõimsusega 66,2 A·h. Aku tühjenes kiirusega 0,5 C kuni erineva tühjenemissügavuseni (DOD) (10% → 100%), mis vastab laadimisolekule (SOC) 90% → 0%. Pinge, voolu ja võimsuse andmed registreeriti tühjendusprotsessi ajal. Pärast 60-minutilist puhkamist laaditi akut 0,5C (CC). Lõikepinge saavutamisel lülitati laadimisrežiim konstantsele pingele (CV). Kui vool oli alla 0,05 C, protsess peatati ning andmed pinge, voolu ja võimsuse kohta registreeriti. Asjakohased andmed on näidatud tabelis 3-2. Liitiumioonaku laadimisvoolu kõverad erinevatel tühjenemissügavustel on näidatud joonisel 3-13.

SOC	DOD	Tühjenemine	Lae	Võrdne-Mahtlaetud energia①/W·h	Võrdne-võimsus Tühjendatud energia②/W·h	Laadimisaeg/min	Konstantne praegune aeg/min	Constant Current Charged Capacity/A·h	Laadimisaja keskmine võimsus ③/min
		Mahutavus/A·h	Energia/W·h	Mahutavus/A·h	Energia/W·h
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 Võrdne-Mahutavus Laetud energia: energia, mida laetakse sama SOC muutuse korral (nt 10%). Näiteks: kui laadimisvõimsus 90% DOD juures on 30W·h, on sama -võimsusega laetud energia 30W·h; kui laadimisvõimsus 80% DOD juures on 50W·h, on sama -võimsusega laetud energia 25W·h.

② Võrdne{0}}võimsus tühjendatud energia: sama SOC muutuse korral tühjendatud energia (nt 10%).

③ Keskmine laadimisaeg võimsusühiku kohta / min: laadimisaeg / laadimisvõimsus.

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

Tabelist 3-2 ja joonisest 3-13 võib teha järgmised järeldused:

1) Tühjenemise sügavuse suurenemisega laadimisaeg pikeneb, kuid keskmine laadimisaeg võimsusühiku kohta väheneb, mis tähendab, et laadimisaja pikenemine ei ole proportsionaalne tühjenemise sügavusega.

2) Tühjenemise sügavuse suurenemisega suureneb konstantse voolu laadimisaja osakaal kogu laadimisajast ning konstantse voolu laadimisvõimsuse osakaal nõutavast laadimisvõimsusest suureneb. Tegelikkuses on need omadused põhjustatud peamiselt kahest tegurist: esiteks nõuab sügavam tühjenemine aku täislaadimiseks pikemat aega; teiseks vastab sügavam tühjenemise sügavus madalamale pingevahemikule, mille tulemusel laetakse akusse vähem energiat samade voolu- ja laadimisaja tingimustes.

(3) Temperatuuri mõju laadimisomadustele Liitium-ioonakusid laaditi erinevatel ümbritseva õhu temperatuuridel. Võttes näiteks 66,2 A·h NCM liitium-ioonaku, kasutati konstantse voolu ja pinge piiramise meetodit. Laadimisparameetrid registreeriti laadimisvoolu piiranguga 1,3 A ja 3,3 A, nagu on näidatud tabelis 3-3. Sama tühjendusvoolu korral langeb aku pinge järsult, nagu on näidatud joonisel 3-13. Kuid kuna pinge püsib suhteliselt kõrge, on tühjendusenergia endiselt kõrge. Tühjenemise algfaasis tõstab aku sisetakistusest kuluv energia aku temperatuuri, suurendab liitiumioonaku aktiivmaterjalide aktiivsust ja tõstab aku pinget, suurendades seeläbi vabanevat energiat. Tühjenemise keskmises ja hilisemas staadiumis aku pinge langeb ning vastavalt väheneb ka ajaühikus vabanev energia.

Samal temperatuuril ja sama tühjenemise lõpppinge korral põhjustavad erinevad tühjenemise lõppvoolud võimsuse ja vabaneva energia erinevusi. Üldjuhul, mida madalam on vool normaalsetes temperatuuritingimustes, seda suurem on võimsus ja vabanev energia. Nagu ülalmainitud tühjenduskatses, vabastab 0,2C 3,2% rohkem võimsust ja energiat kui 1C.

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