วิธีอ่านกราฟการคายประจุแบตเตอรี่

วิธีอ่านกราฟการคายประจุแบตเตอรี่

แบตเตอรี่เป็นระบบไฟฟ้าเคมีและอุณหพลศาสตร์ที่ซับซ้อน และมีปัจจัยหลายประการที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน แน่นอนว่าเคมีของแบตเตอรี่เป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด อย่างไรก็ตาม เมื่อทำความเข้าใจว่าแบตเตอรี่ประเภทใดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น อัตราการปล่อยประจุ อุณหภูมิในการทำงาน สภาพการเก็บรักษา และรายละเอียดโครงสร้างทางกายภาพด้วย ประการแรก จำเป็นต้องกำหนดคำศัพท์หลายคำ:

★ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) คือแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วแบตเตอรี่เมื่อไม่มีโหลดบนแบตเตอรี่

★ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อ (Vt) คือแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วแบตเตอรี่เมื่อมีการจ่ายโหลดให้กับแบตเตอรี่ มักจะต่ำกว่า Voc

แรงดันไฟฟ้าตัด (Vco) คือแรงดันไฟฟ้าที่แบตเตอรี่คายประจุจนหมดตามที่ระบุ แม้ว่าโดยปกติจะมีพลังงานแบตเตอรี่เหลืออยู่ แต่การทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า Vco อาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้

★ ความจุวัดจำนวนแอมแปร์ชั่วโมงรวม (AH) ที่แบตเตอรี่สามารถให้ได้เมื่อชาร์จเต็ม จนกระทั่ง Vt ถึง Vco

อัตราการปล่อยประจุ (C-Rate) คืออัตราที่แบตเตอรี่ถูกชาร์จหรือคายประจุโดยสัมพันธ์กับความจุที่กำหนด ตัวอย่างเช่น อัตรา 1C จะชาร์จหรือคายประจุแบตเตอรี่จนเต็มภายใน 1 ชั่วโมง ที่อัตราการคายประจุ 0.5C แบตเตอรี่จะคายประจุจนหมดภายใน 2 ชั่วโมง การใช้อัตรา C-Rate ที่สูงขึ้นมักจะลดความจุของแบตเตอรี่ที่มีอยู่และอาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้

★ สถานะการชาร์จแบตเตอรี่ (SoC) จะวัดปริมาณความจุแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่เป็นเปอร์เซ็นต์ของความจุสูงสุด เมื่อ SoC ถึงศูนย์และ Vt ถึง Vco อาจยังคงมีพลังงานแบตเตอรี่เหลืออยู่ในแบตเตอรี่ แต่หากไม่ทำให้แบตเตอรี่เสียหายและส่งผลต่อความจุในอนาคต แบตเตอรี่จะไม่สามารถคายประจุออกได้อีก

★ ความลึกของการคายประจุ (DoD) เป็นส่วนเสริมของ SoC ซึ่งวัดเปอร์เซ็นต์ของความจุของแบตเตอรี่ที่คายประจุแล้ว กระทรวง=100- SoC

1 อายุการใช้งานของวงจรคือจำนวนรอบที่มีอยู่ก่อนที่แบตเตอรี่จะหมดอายุการใช้งาน

การสิ้นสุดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ (EoL) หมายถึงการที่แบตเตอรี่ไม่สามารถทำงานตามข้อกำหนดขั้นต่ำที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้ EoL สามารถวัดปริมาณได้หลายวิธี:

1 การสลายตัวของความจุขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ที่ความจุของแบตเตอรี่ลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับความจุที่กำหนดภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ

2 การลดทอนพลังงานจะขึ้นอยู่กับกำลังไฟสูงสุดของแบตเตอรี่ในเปอร์เซ็นต์ที่กำหนด เมื่อเปรียบเทียบกับกำลังไฟที่กำหนดภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ

3 ปริมาณพลังงานจะวัดปริมาณพลังงานทั้งหมดที่แบตเตอรี่คาดว่าจะประมวลผลในช่วงอายุการใช้งาน เช่น 30MWh โดยขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานเฉพาะ

★ สถานะสุขภาพ (SoH) ของแบตเตอรี่จะวัดเปอร์เซ็นต์ของอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ก่อนที่จะถึง EoL

เส้นโค้งโพลาไรซ์

กราฟการคายประจุของแบตเตอรี่เกิดขึ้นจากผลโพลาไรเซชันของแบตเตอรี่ที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการคายประจุ ปริมาณพลังงานที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้ภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน เช่น อัตรา C และอุณหภูมิในการทำงาน มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพื้นที่ใต้กราฟการปล่อยประจุ ในระหว่างกระบวนการคายประจุ Vt ของแบตเตอรี่จะลดลง การลดลงของ Vt เกี่ยวข้องกับปัจจัยหลักหลายประการ:

✔ IR drop - แรงดันแบตเตอรี่ลดลงที่เกิดจากกระแสที่ไหลผ่านความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ปัจจัยนี้จะเพิ่มขึ้นเชิงเส้นตรงที่อัตราการคายประจุที่ค่อนข้างสูง โดยมีอุณหภูมิคงที่

✔ โพลาไรเซชันการเปิดใช้งาน - หมายถึงปัจจัยการชะลอตัวต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี เช่น ฟังก์ชั่นการทำงานที่ไอออนต้องเอาชนะที่จุดเชื่อมต่อระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์

✔ โพลาไรเซชันความเข้มข้น - ปัจจัยนี้คำนึงถึงความต้านทานที่ไอออนต้องเผชิญในระหว่างการถ่ายโอนมวล (การแพร่กระจาย) จากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรด ปัจจัยนี้มีอิทธิพลเหนือเมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคายประจุจนหมด และความชันของเส้นโค้งจะสูงชันมาก

กราฟโพลาไรเซชัน (กราฟคายประจุ) ของแบตเตอรี่แสดงผลสะสมของการลด IR, โพลาไรซ์การเปิดใช้งาน และโพลาไรเซชันความเข้มข้นต่อ Vt (ศักย์ไฟฟ้าของแบตเตอรี่) (ภาพ: ไบโอลอจิก)

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับเส้นโค้งการคายประจุ

แบตเตอรี่ได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานที่หลากหลายและมีคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น มีระบบเคมีลิเธียมไอออนพื้นฐานอย่างน้อยหกระบบ ซึ่งแต่ละระบบมีชุดคุณลักษณะเฉพาะของตัวเอง เส้นโค้งการปล่อยประจุมักจะพล็อตด้วย Vt บนแกน Y ในขณะที่ SoC (หรือ DoD) จะถูกพล็อตบนแกน X เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อัตรา C และอุณหภูมิในการทำงาน ระบบเคมีของแบตเตอรี่แต่ละระบบจึงมีกราฟการปล่อยประจุหลายชุดตามชุดพารามิเตอร์การทำงานเฉพาะ ตัวอย่างเช่น รูปภาพต่อไปนี้เปรียบเทียบประสิทธิภาพการคายประจุของระบบเคมีลิเธียมไอออนทั่วไปสองระบบและแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่อุณหภูมิห้องและอัตราการคายประจุ 0.2C รูปร่างของเส้นโค้งการปล่อยมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อนักออกแบบ

เส้นโค้งการคายประจุแบบแบนสามารถทำให้การออกแบบแอปพลิเคชันบางอย่างง่ายขึ้น เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ยังคงค่อนข้างคงที่ตลอดวงจรการคายประจุทั้งหมด ในทางกลับกัน เส้นโค้งความชันสามารถทำให้การประมาณค่าประจุคงเหลือง่ายขึ้น เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับประจุคงเหลือในแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีเส้นโค้งการคายประจุแบบแบน การประมาณค่าประจุคงเหลือต้องใช้วิธีที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น การนับคูลอมบ์ ซึ่งวัดกระแสคายประจุของแบตเตอรี่และรวมกระแสเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อประมาณค่าประจุคงเหลือ

นอกจากนี้ แบตเตอรี่ที่มีเส้นโค้งการคายประจุลาดลงจะมีกำลังลดลงตลอดวงจรการคายประจุทั้งหมด อาจต้องใช้แบตเตอรี่ 'ขนาดที่มากเกินไป' เพื่อรองรับการใช้งานที่มีกำลังสูงเมื่อสิ้นสุดรอบการคายประจุ โดยปกติจำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์และระบบที่มีความละเอียดอ่อนโดยใช้แบตเตอรี่ที่มีเส้นโค้งคายประจุที่สูงชัน

ต่อไปนี้คือกราฟการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าหากแบตเตอรี่คายประจุในอัตราที่สูงมาก (หรือกลับกันในอัตราที่ต่ำ) ความจุที่แท้จริงจะลดลง (หรือเพิ่มขึ้น) สิ่งนี้เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงความจุ และผลกระทบนี้พบได้ทั่วไปในระบบเคมีของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่

แรงดันไฟฟ้าและความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะลดลงตามอัตรา C ที่เพิ่มขึ้น (ภาพ: Richtek)

อุณหภูมิในการทำงานเป็นตัวแปรสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ที่อุณหภูมิต่ำมาก แบตเตอรี่ที่มีอิเล็กโทรไลต์แบบน้ำอาจแข็งตัว ซึ่งเป็นการจำกัดขีดจำกัดล่างของช่วงอุณหภูมิในการทำงาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจเกิดการสะสมของลิเธียมอิเล็กโทรดลบที่อุณหภูมิต่ำ ส่งผลให้ความจุลดลงอย่างถาวร ที่อุณหภูมิสูง สารเคมีอาจสลายตัวและแบตเตอรี่อาจหยุดทำงาน ระหว่างการแช่แข็งและความเสียหายทางเคมี โดยทั่วไปประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จะแตกต่างกันอย่างมากตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของอุณหภูมิที่แตกต่างกันที่มีต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ที่อุณหภูมิต่ำมาก ประสิทธิภาพอาจลดลงอย่างมาก อย่างไรก็ตาม กราฟการคายประจุแบตเตอรี่เป็นเพียงแง่มุมหนึ่งของประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เท่านั้น ตัวอย่างเช่น ยิ่งค่าเบี่ยงเบนระหว่างอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกับอุณหภูมิห้อง (ไม่ว่าจะอยู่ที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำ) มากเท่าใด อายุการใช้งานของวงจรก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น สำหรับการใช้งานเฉพาะ การวิเคราะห์ที่สมบูรณ์ของปัจจัยทั้งหมดที่ส่งผลต่อการบังคับใช้ของระบบเคมีของแบตเตอรี่ต่างๆ นั้นอยู่นอกเหนือขอบเขตของเส้นโค้งการคายประจุแบตเตอรี่ของบทความนี้ ตัวอย่างของวิธีอื่นๆ ในการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ต่างๆ คือแผนภาพ Lagone

แรงดันไฟและความจุของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ (ภาพ: Richtek)

แปลงลาโกเน่

แผนภาพ Lagoon เปรียบเทียบกำลังเฉพาะและพลังงานเฉพาะของเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานต่างๆ ตัวอย่างเช่น เมื่อพิจารณาแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า พลังงานจำเพาะจะสัมพันธ์กับช่วง ในขณะที่พลังงานจำเพาะจะสอดคล้องกับประสิทธิภาพการเร่งความเร็ว

แผนภาพ Ragone เปรียบเทียบความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจำเพาะและพลังงานจำเพาะของเทคโนโลยีต่างๆ (ภาพ: รีเสิร์ชเกต)

แผนภาพลากูนขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพลังงานมวลและความหนาแน่นของพลังงาน และไม่มีข้อมูลใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์ปริมาตร แม้ว่านักโลหะวิทยา David V. Lagone จะพัฒนาแผนภูมิเหล่านี้เพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเคมีแบตเตอรี่ต่างๆ แต่แผนภูมิ Lagone ยังเหมาะสำหรับการเปรียบเทียบชุดอุปกรณ์กักเก็บพลังงานและอุปกรณ์พลังงาน เช่น เครื่องยนต์ กังหันก๊าซ และเซลล์เชื้อเพลิง

อัตราส่วนระหว่างพลังงานจำเพาะบนแกน Y และพลังงานจำเพาะบนแกน X คือจำนวนชั่วโมงที่อุปกรณ์ทำงานที่กำลังไฟพิกัด ขนาดของอุปกรณ์ไม่ส่งผลกระทบต่อความสัมพันธ์นี้ เนื่องจากอุปกรณ์ขนาดใหญ่จะมีพลังงานและความจุพลังงานสูงกว่าตามสัดส่วน เส้นโค้งไอโซโครนัสที่แสดงเวลาการทำงานคงที่บนแผนภาพลากูนนั้นเป็นเส้นตรง

สรุป

สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจกราฟการปล่อยประจุของแบตเตอรี่และพารามิเตอร์ต่างๆ ที่ประกอบกันเป็นกราฟการปล่อยประจุที่เกี่ยวข้องกับเคมีของแบตเตอรี่โดยเฉพาะ เนื่องจากระบบไฟฟ้าเคมีและอุณหพลศาสตร์ที่ซับซ้อน กราฟการปล่อยประจุของแบตเตอรี่จึงซับซ้อนเช่นกัน แต่เป็นเพียงวิธีเดียวที่จะเข้าใจถึงการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพระหว่างคุณสมบัติทางเคมีและโครงสร้างต่างๆ ของแบตเตอรี่