Cách đọc đường cong xả pin

Cách đọc đường cong xả pin

Pin là hệ thống điện hóa và nhiệt động phức tạp và có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Tất nhiên, hóa học của pin là yếu tố quan trọng nhất. Tuy nhiên, khi hiểu loại pin nào phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể, cũng cần xem xét các yếu tố như tốc độ xả sạc, nhiệt độ vận hành, điều kiện bảo quản và chi tiết cấu trúc vật lý. Đầu tiên cần phải xác định một số thuật ngữ:

★ Điện áp mạch hở (Voc) là điện áp giữa các cực của ắc quy khi ắc quy không có tải.

★ Điện áp đầu cực (Vt) là điện áp giữa các cực của ắc quy khi đưa tải vào ắc quy; Thường thấp hơn Voc.

Điện áp cắt (Vco) là điện áp tại đó pin đã xả hết, như đã chỉ định. Mặc dù pin thường còn lại nhưng hoạt động ở điện áp dưới Vco có thể làm hỏng pin.

★ Công suất đo tổng số ampe giờ (AH) mà pin có thể cung cấp khi được sạc đầy, cho đến khi Vt đạt Vco.

Tốc độ xả sạc (C-Rate) là tốc độ sạc hoặc xả pin so với công suất định mức của pin. Ví dụ: tốc độ 1C sẽ sạc đầy hoặc xả pin trong vòng 1 giờ. Ở tốc độ xả 0,5C, pin sẽ xả hết trong vòng 2 giờ. Việc sử dụng Tốc độ C cao hơn thường làm giảm dung lượng pin khả dụng và có thể làm hỏng pin.

★ Trạng thái sạc pin (SoC) định lượng dung lượng pin còn lại theo phần trăm của dung lượng tối đa. Khi SoC về 0 và Vt đạt Vco, có thể vẫn còn lượng pin trong pin, nhưng không làm hỏng pin và ảnh hưởng đến dung lượng trong tương lai nên pin không thể xả thêm.

★ Độ sâu xả (DoD) là phần bổ sung của SoC, đo phần trăm dung lượng pin đã xả; DoD=100-SoC.

① Tuổi thọ của chu kỳ là số chu kỳ có sẵn trước khi pin hết tuổi thọ sử dụng.

Hết tuổi thọ pin (EoL) đề cập đến việc pin không thể hoạt động theo các thông số kỹ thuật tối thiểu được xác định trước. EoL có thể được định lượng theo nhiều cách khác nhau:

① Sự suy giảm công suất dựa trên mức giảm phần trăm nhất định của dung lượng pin so với công suất định mức trong các điều kiện chỉ định.

② Sự suy giảm công suất dựa trên công suất tối đa của pin ở một tỷ lệ phần trăm nhất định so với công suất định mức trong các điều kiện quy định.

③ Thông lượng năng lượng định lượng tổng lượng năng lượng mà pin dự kiến ​​sẽ xử lý trong suốt tuổi thọ của nó, chẳng hạn như 30MWh, dựa trên các điều kiện vận hành cụ thể.

★ Tình trạng sức khỏe (SoH) của pin đo lường phần trăm tuổi thọ hữu ích còn lại trước khi đạt đến EoL.

Đường cong phân cực

Đường cong xả pin được hình thành dựa trên hiệu ứng phân cực của pin xảy ra trong quá trình xả pin. Lượng năng lượng mà pin có thể cung cấp trong các điều kiện hoạt động khác nhau, chẳng hạn như tốc độ C và nhiệt độ hoạt động, có liên quan chặt chẽ đến diện tích dưới đường cong phóng điện. Trong quá trình xả điện, Vt của ắc quy sẽ giảm. Sự giảm Vt có liên quan đến một số yếu tố chính:

✔ Giảm hồng ngoại - Sự giảm điện áp của pin do dòng điện đi qua điện trở trong của pin. Hệ số này tăng tuyến tính ở tốc độ xả tương đối cao, với nhiệt độ không đổi.

✔ Phân cực kích hoạt - đề cập đến các yếu tố giảm tốc khác nhau liên quan đến động học của các phản ứng điện hóa, chẳng hạn như chức năng làm việc mà các ion phải khắc phục tại điểm nối giữa điện cực và chất điện phân.

✔ Phân cực nồng độ - Hệ số này tính đến điện trở mà các ion gặp phải trong quá trình truyền khối (khuếch tán) từ điện cực này sang điện cực khác. Yếu tố này chiếm ưu thế khi pin lithium-ion được xả hết và độ dốc của đường cong trở nên rất dốc.

Đường cong phân cực (đường cong phóng điện) của pin cho thấy tác động tích lũy của việc giảm IR, phân cực kích hoạt và phân cực nồng độ trên Vt (điện thế pin). (Ảnh: BioLogic)

Xem xét đường cong xả

Pin đã được thiết kế cho nhiều ứng dụng và cung cấp các đặc tính hiệu suất khác nhau. Ví dụ, có ít nhất sáu hệ thống hóa học lithium ion cơ bản, mỗi hệ thống có bộ tính năng độc đáo riêng. Đường cong phóng điện thường được vẽ bằng Vt trên trục Y, trong khi SoC (hoặc DoD) được vẽ trên trục X. Do mối tương quan giữa hiệu suất của pin và các thông số khác nhau như tốc độ C và nhiệt độ vận hành, mỗi hệ thống hóa học của pin có một loạt đường cong phóng điện dựa trên sự kết hợp các thông số vận hành cụ thể. Ví dụ, hình dưới đây so sánh hiệu suất phóng điện của hai hệ thống hóa học lithium-ion thông thường và pin axit chì ở nhiệt độ phòng và tốc độ xả 0,2C. Hình dạng của đường cong phóng điện có ý nghĩa rất lớn đối với các nhà thiết kế.

Đường cong phóng điện phẳng có thể đơn giản hóa một số thiết kế ứng dụng nhất định vì điện áp pin vẫn tương đối ổn định trong toàn bộ chu kỳ phóng điện. Mặt khác, đường cong có độ dốc có thể đơn giản hóa việc ước tính lượng điện tích dư vì điện áp của pin có liên quan chặt chẽ đến lượng điện tích dư trong pin. Tuy nhiên, đối với pin lithium-ion có đường cong phóng điện phẳng, việc ước tính điện tích dư đòi hỏi các phương pháp phức tạp hơn, chẳng hạn như đếm Coulomb, đo dòng xả của pin và tích phân dòng điện theo thời gian để ước tính điện tích dư.

Ngoài ra, pin có đường phóng điện dốc xuống sẽ bị giảm điện năng trong toàn bộ chu kỳ xả. Pin 'kích thước vượt quá' có thể được yêu cầu để hỗ trợ các ứng dụng năng lượng cao vào cuối chu kỳ xả. Thông thường, cần phải sử dụng bộ điều chỉnh điện áp tăng áp để cấp nguồn cho các thiết bị và hệ thống nhạy cảm sử dụng pin có đường cong phóng điện dốc.

Sau đây là đường cong xả của pin lithium-ion, cho thấy nếu pin xả với tốc độ rất cao (hoặc ngược lại, ở tốc độ thấp) thì công suất hiệu dụng sẽ giảm (hoặc tăng). Điều này được gọi là sự thay đổi công suất và hiệu ứng này phổ biến trong hầu hết các hệ thống hóa học của pin.

Điện áp và dung lượng của pin lithium-ion giảm khi tốc độ C tăng. (Ảnh: Richtek)

Nhiệt độ làm việc là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin. Ở nhiệt độ rất thấp, pin có chất điện phân gốc nước có thể đóng băng, hạn chế giới hạn dưới của phạm vi nhiệt độ hoạt động. Pin lithium ion có thể bị lắng đọng lithium điện cực âm ở nhiệt độ thấp, làm giảm công suất vĩnh viễn. Ở nhiệt độ cao, hóa chất có thể bị phân hủy và pin có thể ngừng hoạt động. Giữa tình trạng đóng băng và hư hỏng do hóa chất, hiệu suất của pin thường thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi.

Hình dưới đây cho thấy tác động của nhiệt độ khác nhau đến hiệu suất của pin lithium-ion. Ở nhiệt độ rất thấp, hiệu suất có thể giảm đáng kể. Tuy nhiên, đường cong xả pin chỉ là một khía cạnh của hiệu suất pin. Ví dụ, độ lệch giữa nhiệt độ hoạt động của pin lithium-ion và nhiệt độ phòng càng lớn (dù ở nhiệt độ cao hay thấp) thì vòng đời càng thấp. Đối với các ứng dụng cụ thể, việc phân tích đầy đủ tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của các hệ thống hóa học pin khác nhau nằm ngoài phạm vi đường cong xả pin của bài viết này. Một ví dụ về các phương pháp khác để phân tích hiệu suất của các loại pin khác nhau là biểu đồ Lagone.

Điện áp và dung lượng pin phụ thuộc vào nhiệt độ. (Ảnh: Richtek)

lô đất đầm phá

Sơ đồ Lagoon so sánh công suất riêng và năng lượng riêng của các công nghệ lưu trữ năng lượng khác nhau. Ví dụ, khi xem xét pin xe điện, năng lượng cụ thể có liên quan đến quãng đường, trong khi công suất cụ thể tương ứng với hiệu suất tăng tốc.

Biểu đồ Ragone so sánh mối quan hệ giữa năng lượng cụ thể và công suất cụ thể của các công nghệ khác nhau. (Ảnh: Researchgate)

Sơ đồ Lagoon dựa trên mật độ năng lượng khối lượng và mật độ công suất và không bao gồm bất kỳ thông tin nào liên quan đến thông số âm lượng. Mặc dù nhà luyện kim David V. Lagone đã phát triển các biểu đồ này để so sánh hiệu suất của các loại hóa chất pin khác nhau, nhưng biểu đồ Lagone cũng phù hợp để so sánh bất kỳ bộ thiết bị lưu trữ năng lượng và năng lượng nào, chẳng hạn như động cơ, tua bin khí và pin nhiên liệu.

Tỷ số giữa năng lượng riêng trên trục Y và công suất riêng trên trục X là số giờ thiết bị hoạt động ở công suất định mức. Kích thước của thiết bị không ảnh hưởng đến mối quan hệ này, vì các thiết bị lớn hơn sẽ có công suất và năng lượng tương ứng cao hơn. Đường cong đẳng thời biểu thị thời gian hoạt động không đổi trên sơ đồ Lagoon là một đường thẳng.

Bản tóm tắt

Điều quan trọng là phải hiểu đường cong phóng điện của pin và các thông số khác nhau tạo nên họ đường cong phóng điện liên quan đến thành phần hóa học cụ thể của pin. Do hệ thống điện hóa và nhiệt động phức tạp nên đường cong phóng điện của pin cũng phức tạp, nhưng chúng chỉ là một cách để hiểu sự cân bằng hiệu suất giữa các cấu trúc và hóa học khác nhau của pin.