Enerģijas uzkrāšanas akumulatoru izlādes veiktspēja

Viena no svarīgākajām veiktspējas īpašībāmenerģijas uzkrāšanas baterijasir to izlādes veiktspēja. Lai raksturotu akumulatora izlādes uzvedību dažādos apstākļos, ir nepieciešams izmērīt akumulatora izlādes līkni, kas parasti ir līkne, kas parāda izlādes sprieguma izmaiņas laika gaitā. Dažādus izplūdes apstākļus raksturo izplūdes stratēģijas, un dažādas izlādes stratēģijas radīs dažādas izlādes līknes. Izlādes stratēģijas parasti ietver izlādes metodi, izlādes strāvu, izslēgšanas spriegumu un apkārtējās vides temperatūru.

Izlādes metode

Ir trīs veidi, kā akumulators var izlādēties: pastāvīga strāvas izlāde, pastāvīga pretestības izlāde un pastāvīga jaudas izlāde. Tipiskas izlādes līknes ir parādītas 1.-5. attēlā, kas ilustrē izlādes strāvas, sprieguma un jaudas izmaiņas izlādes laikā šajos trīs izlādes režīmos.

Pastāvīgas-pretestības izlādes laikā akumulatora darbības spriegums un izlādes strāva laika gaitā pakāpeniski samazinās. Tāpat arī pie pastāvīgas-strāvas izlādes darba spriegums samazinās, turpinoties izlādes procesam. Šis darba sprieguma samazinājums ar ilgstošu izlādes laiku ir saistīts ar akumulatora iekšējās pretestības palielināšanos. Turklāt, palielinoties akumulatoru enerģijas izmantošanai elektroinstrumentos, elektriskajos transportlīdzekļos un citās lietojumprogrammās, pastāvīga-jaudas izlāde kļūst arvien izplatītāka. Pastāvīgas-jaudas izlādes laikā akumulatora spriegums nepārtraukti samazinās, savukārt izlādes strāva nepārtraukti palielinās, izlādei progresējot.

Izlādes strāva

Akumulatora darbības laikā strāvu, ko tas izvada, sauc par izlādes strāvu. Izlādes strāvu parasti sauc arī par izlādes ātrumu, un to bieži izsaka, izmantojot stundas likmi (pazīstama arī kā stundas likme) un reizinātāju.

Izlādes ātrums attiecas uz akumulatora izlādes ātrumu, ko mēra izlādes laikā. Konkrētāk, tas ir laiks, kas nepieciešams, lai pilnībā atbrīvotu akumulatora jaudu, izmantojot īpašu izlādes strāvu, ko parasti izsaka stundās (h). Piemēram, akumulatoram ar nominālo jaudu 10 amp -stundas (A·h), ja tas ir izlādējies ar strāvu 2 A, atbilstošais izlādes ātrums ir 5 stundas (10A·h/2A=5h), kas nozīmē, ka akumulators izlādējas ar ātrumu 5 stundas.

Izlādes ātrums attiecas uz pašreizējo vērtību, kas izteikta kā akumulatora nominālās jaudas reizinājums, kad akumulatora pilna jauda ir pilnībā atbrīvota noteiktā laikā. Piemēram, 2C izlāde nozīmē, ka izlādes strāva ir divreiz lielāka par akumulatora nominālo jaudu, ko parasti apzīmē ar 2C (kur C apzīmē akumulatora nominālo jaudu). Akumulatoram ar nominālo jaudu 10A·h, 2C izlāde (šeit ir izmēru problēma, ti, kapacitātes un strāvas mērvienības nav vienādas, taču tas ir izplatīts lietojums, tāpēc tas netiks mainīts) nozīmē, ka izlādes strāva ir 2 x 10=20 (A), kas atbilst izlādes ātrumam 0,5 h. Dažādu veidu un dizainu akumulatoriem ir atšķirīga pielāgošanās izlādes apstākļiem: daži ir piemērotāki zemas strāvas izlādei, bet citi darbojas labāk pie lielas strāvas. Parasti izlādes ātrumu, kas ir mazāks par 0,5 ° C vai vienāds ar to, sauc par zemiem; tos, kas ir no 0,5 C līdz 3,5 C, sauc par vidējiem ātrumiem; tos, kas ir no 3,5 C līdz 7 C, sauc par augstām likmēm; un tos, kas pārsniedz 7C, sauc par īpaši{20}}augstiem tarifiem.

Gala spriegums

Akumulatora izlādes laikā sākotnējā sprieguma vērtība tiek definēta kā sākuma darba spriegums; kad spriegums nokrītas līdz slieksnim, kurā turpmāka izlāde vairs nav piemērota, šo sprieguma punktu sauc par beigu spriegumu. Šī izslēgšanas sprieguma īpašo vērtību parasti nosaka testeris, pamatojoties uz faktiskajām testa prasībām un iepriekšējo pieredzi.

Iestatītais gala spriegums mainās atkarībā no dažādiem izlādes apstākļiem un to ietekmes uz akumulatora jaudu un kalpošanas laiku. Zemākus pieslēguma spriegumus parasti izmanto zemas -temperatūras vidēs vai augstas{2}}strāvas izlādes apstākļos, savukārt augstāks gala spriegums parasti tiek iestatīts zemas-strāvas izlādes apstākļos. Tas ir tāpēc, ka polarizācija starp akumulatora elektrodiem ievērojami palielinās zemas-temperatūras vai lielas-strāvas izlādes laikā, kā rezultātā notiek nepilnīga aktīvo materiālu izmantošana un ātrāks sprieguma kritums. Tāpēc atbilstoša gala sprieguma pazemināšana palīdz atbrīvot vairāk enerģijas. Un otrādi, izmantojot zemu-strāvu, akumulatora aktīvās sastāvdaļas tiek izmantotas pilnīgāk. Šajā gadījumā, palielinot izslēgšanas spriegumu, lai ierobežotu dziļo izlādi, var efektīvi pagarināt kopējo akumulatora darbības laiku.

Apkārtējās vides temperatūra

Kā parādīts 1-6. attēlā, apkārtējās vides temperatūrai ir būtiska ietekme uz izlādes līkni. Augstākā temperatūrā izlādes līkne uzrāda salīdzinoši maigu tendenci; tomēr, temperatūrai pazeminoties, šīs izmaiņas kļūst arvien krasākas. Galvenais iemesls ir tas, ka zemās temperatūrās jonu migrācijas ātrums samazinās, izraisot omu iekšējās pretestības palielināšanos. Ārkārtējos gadījumos, ja temperatūra ir pārāk zema, elektrolīts var sasalt, tādējādi kavējot normālu akumulatora izlādes procesu. Turklāt zemākā temperatūrā elektroķīmiskā polarizācija un koncentrācijas polarizācija tiek attiecīgi uzlabota, vēl vairāk paātrinot izlādes līknes samazināšanās ātrumu.

1. attēls-6. Svina-skābes akumulatoru izlādes līknes dažādās apkārtējās vides temperatūrās

Jauda un īpatnējā jauda

Akumulatora ietilpība attiecas uz elektroenerģijas daudzumu, ko var iegūt no akumulatora noteiktos izlādes apstākļos. Mērvienība parasti tiek izteikta kā ampērs{1}}stunda (Ah). Atkarībā no faktiskās situācijas akumulatora kapacitāti var iedalīt teorētiskajā kapacitātē, faktiskajā kapacitātē un nominālajā kapacitātē.

Teorētiskā jauda (Co) attiecas uz elektroenerģijas daudzumu, ko var nodrošināt ideālos apstākļos, kad aktīvais materiāls pilnībā piedalās akumulatora elektroķīmiskajā reakcijā. Šo vērtību aprēķina, pamatojoties uz aktīvā materiāla masu, ievērojot Faradeja likumu. Faradeja likums nosaka, ka pastāv tieša proporcionāla sakarība starp materiāla masu, kas piedalās reakcijā pie elektroda, un lādiņa daudzumu, ko tas pārnes; kad akumulatora elektroķīmiskajā procesā piedalās 1 mols aktīvā materiāla, tas var atbrīvot lādiņu, kas atbilst 26,8 A·h vai 1 faradam (F). Tāpēc pastāv šāda aprēķina formula:

Formulā m ir aktīvās vielas masa, kad tā pilnībā reaģē; n ir plūsmas reakcijas laikā iegūto vai zaudēto elektronu skaits; un M ir aktīvās vielas molārā masa.

Formulā K sauc par aktīvās vielas elektroķīmisko ekvivalentu.

Kā parādīts vienādojumā (1.5), elektroda teorētiskā kapacitāte ir saistīta ar aktīvā materiāla masu un elektroķīmisko ekvivalentu. Ar tādu pašu aktīvā materiāla masu, jo mazāks ir elektroķīmiskais ekvivalents, jo lielāka ir teorētiskā kapacitāte. Dažu elektrodu materiālu elektroķīmiskie ekvivalenti ir parādīti 1-3 tabulā.

Tabula 1-3 Dažu elektrodu materiālu elektroķīmiskie ekvivalenti

Turklāt bieži tiek izmantoti faktiskās jaudas un nominālās jaudas jēdzieni. Faktiskā jauda attiecas uz kopējo elektroenerģijas daudzumu, ko akumulators var nodrošināt īpašos izlādes apstākļos. Faktisko jaudu ierobežo ne tikai teorētiskā maksimālā vērtība, bet arī īpašie izlādes apstākļi.

No otras puses, nominālā jauda ir standarta komplekts akumulatoram projektēšanas un ražošanas procesā; tas ir, minimālā izejas jauda, ​​kas akumulatoram jāsasniedz noteiktos izlādes apstākļos, kas pazīstama arī kā nominālā jauda.

Salīdzinot dažādu veidu akumulatorus vienā un tajā pašā sērijā, novērtēšanai parasti izmanto īpašu kapacitāti. Konkrēti, īpatnējā jauda attiecas uz elektroenerģijas daudzumu, ko akumulators var nodrošināt uz masas vai tilpuma vienību, ti, masas īpatnējo jaudu (Ah/kg) un tilpuma īpatnējo jaudu (Ah/L). Ir svarīgi atzīmēt, ka, aprēķinot akumulatora masu un tilpumu, papildus elektrodu materiāliem un elektrolītam ir jāņem vērā arī citas akumulatora sastāvdaļas, piemēram, korpuss, separators un saistītie vadošie komponenti. Īpaši akumulatoriem un kurināmā elementiem kopējā masā un tilpumā ir iekļauts arī viss nepieciešamais palīgaprīkojums, piemēram, tvertnes šķidrumu uzglabāšanai, aktivizācijas ierīces (akumulatoriem), vai aktīvo materiālu uzglabāšanas un padeves sistēmas, vadības sistēmas, siltummezgli utt. (kurināmā elementiem).

Ieviešot specifiskās jaudas jēdzienu, varam salīdzināt dažāda veida un izmēra akumulatoru veiktspēju. Akumulatora ietilpība ir sadalīta teorētiskajā kapacitātē un faktiskajā ietilpībā; attiecīgi specifiskajai kapacitātei ir arī teorētiskie un faktiskie aspekti.

Enerģija un specifiskā enerģija

Akumulatora enerģija attiecas uz kopējo akumulatora izvadīto elektrisko enerģiju, veicot darbu noteiktos izlādes apstākļos, parasti izteikta vats{0}}stundās (W·h). Akumulatora enerģijai ir arī teorētiskā enerģija un faktiskā enerģija.

Pieņemot, ka akumulators izlādes laikā paliek līdzsvarā un tā izlādes spriegums ir nemainīgs, vienāds ar tā elektromotora spēku, kā arī pieņemot, ka ķīmiskajā reakcijā piedalās visi aktīvie materiāli, tad akumulatora sniegtajai enerģijai jābūt vienādai ar tā teorētisko maksimālo enerģiju Wo.

Akumulatora teorētiskā enerģija ir maksimālais ar -apjomu nesaistīts darbs, ko akumulators veic nemainīgas temperatūras, nemainīga spiediena un atgriezeniskas izlādes apstākļos.

Faktiskā enerģija (W) attiecas uz enerģiju, ko akumulators faktiski nodrošina noteiktos izlādes apstākļos. To skaitliski iegūst, faktisko jaudu reizinot ar vidējo darba spriegumu. Tā kā aktīvos materiālus akumulatora iekšpusē nevar pilnībā izmantot un tā darba spriegums parasti ir zemāks par teorētisko elektromotora spēku, faktiskā enerģija vienmēr ir mazāka par teorētisko enerģiju.

Īpatnējā enerģija attiecas uz akumulatora izdalīto enerģiju uz masas vai tilpuma vienību. Enerģijas izvade uz akumulatora masas vienību tiek definēta kā masai raksturīgā enerģija, ko parasti mēra vats{1}}stundās uz kilogramu (Wh/kg). Enerģijas izvade uz akumulatora tilpuma vienību tiek definēta kā tilpuma īpatnējā enerģija, ko parasti izsaka vats -stundās litrā (Wh/L). Turklāt īpatnējās enerģijas jēdzienu var sīkāk iedalīt teorētiskajā (W) un faktiskajā (W), kur teorētisko masas īpatnējo enerģiju var aprēķināt, izmantojot vienādojumu (1.9):

Formulā K+ ir pozitīvā elektroda materiāla elektroķīmiskais ekvivalents; K- ir negatīvā elektroda materiāla elektroķīmiskais ekvivalents; un E ir akumulatora elektromotora spēks.

Jauda un specifiskā jauda

Akumulatora jauda attiecas uz akumulatora enerģijas izvadi laika vienībā īpašos izlādes apstākļos, un tās mērvienība ir vats (W) vai kilovats (kW). Ja šo izejas jaudu ņem vērā attiecībā pret akumulatora masu vai tilpumu, tiek iegūts īpatnējās jaudas jēdziens. Konkrēti, masas īpatnējā jauda mēra, cik vatu jaudas var nodrošināt akumulatora masas vienība, un tās vienība ir W/kg; savukārt tilpuma īpatnējā jauda atspoguļo jaudu, ko ģenerē akumulatora tilpuma vienība, un tai atbilstošā vienība ir W/L.

Jauda un īpatnējā jauda norāda akumulatora izlādes ātrumu. Lielāka akumulatora jauda nozīmē, ka akumulators var izlādēties ar lielu strāvu vai lielu ātrumu. Piemēram, cinka -sudraba akumulators var sasniegt īpatnējo jaudu, kas pārsniedz 100 W/kg, izlādējoties ar vidēju strāvas blīvumu, kas norāda uz zemu iekšējo pretestību un labu augstu{4}}izlādes ātrumu. Turpretim cinka -mangāna sauso elementu akumulators var sasniegt tikai 10 W/kg specifisko jaudu, ja darbojas ar zemu strāvas blīvumu, kas norāda uz augstu iekšējo pretestību un zemu augstas izlādes ātrumu. Līdzīgi kā akumulatora enerģijai, jaudai ir arī teorētiskā jauda un faktiskā jauda.

Akumulatora teorētisko jaudu var izteikt šādi:

Formulā t ir laiks; Co ir akumulatora teorētiskā ietilpība; un es esmu strāva.

Faktiskajai akumulatora jaudai jābūt:

Formulā I²R apzīmē akumulatora iekšējās pretestības patērēto jaudu. Šī jauda ir bezjēdzīga pielietotajai slodzei; tas būtībā tiek pārvērsts siltumenerģijā un atbrīvots kā siltums.

Cikla dzīve

Baterijām cikla kalpošanas laiks vai lietošanas cikls ir viens no galvenajiem rādītājiem, lai novērtētu akumulatora veiktspēju. Katrs pilns uzlādes{1}}izlādes cikls tiek uzskatīts par akumulatora laika periodu.

Konkrētos uzlādes{0}}izlādes apstākļos ciklu skaits, ko akumulators var izturēt, pirms tā kapacitāte samazinās līdz noteiktai noteiktai vērtībai, tiek definēts kā cikla ilgums vai lietošanas cikls. Jo ilgāks cikla mūžs, jo labāka ir akumulatora cikla veiktspēja. Dažādu veidu akumulatoriem ir atšķirīgs cikla kalpošanas laiks; piemēram, niķeļa-kadmija baterijas var sasniegt tūkstošiem ciklu, savukārt cinka-sudraba baterijām ir salīdzinoši mazāk ciklu, dažās pat mazāk nekā simts. Ir vērts atzīmēt, ka pat viena veida akumulatoriem var būt atšķirīgs cikla ilgums to iekšējās struktūras atšķirību dēļ.

Akumulatora cikla kalpošanas laiku ietekmē dažādi faktori. Papildus pareizai lietošanai un apkopei ir spēkā arī šādi galvenie aspekti: ① Uzlādes{1}}izlādes ciklu laikā aktīvā materiāla virsmas laukums pakāpeniski samazinās, izraisot darbības strāvas blīvuma palielināšanos un pastiprinātu polarizāciju; ② Aktīvās sastāvdaļas uz elektrodiem var atdalīties vai pārvietoties; ③ Akumulatora darbības laikā daži elektrodu materiāli var tikt sarūsējuši; ④ Dendrīti, kas veidojas uz elektrodiem riteņbraukšanas laikā, var izraisīt īssavienojumus akumulatora iekšpusē; ⑤ Atdalītājs var būt bojāts; ⑥ Aktīvā materiāla kristāla morfoloģija mainās atkārtotu uzlādes{2}}izlādes ciklu laikā, tādējādi samazinot tā aktivitāti.

Uzglabāšanas veiktspēja

Akumulatora uzglabāšanas veiktspēja attiecas uz dabisko enerģijas zudumu pakāpi akumulatorā, kad tas ir atvērtā{0}}ķēdes stāvoklī noteiktos vides apstākļos (piemēram, temperatūrā un mitrumā). Šo parādību sauc arī par pašizlādi. Ja enerģijas zudumu īpatsvars uzglabāšanas laikā ir neliels, tas norāda, ka akumulatoram ir lieliska uzglabāšanas veiktspēja.

Ja akumulators ir atvērtas-ķēdes stāvoklī, lai gan tas nepiegādā elektroenerģiju uz āru, tas joprojām tiek{1}}pašizlādes process. Šī parādība galvenokārt ir saistīta ar elektrodu termodinamisko nestabilitāti elektrolītu vidē, kas izraisa spontānas redoksreakciju starp elektrodiem. Pat sausos apstākļos, ja blīvējums nav pietiekami ciešs, ārējo faktoru, piemēram, gaisa vai mitruma, iekļūšana akumulatorā joprojām var izraisīt pašizlādes efektu.

Pašizlādes ātrumu-var izteikt arī kā dienu skaitu, kas nepieciešams, lai akumulatora kapacitāte samazinās līdz noteiktai vērtībai, to uzglabājot. Tas tiek dēvēts par glabāšanas laiku. Ir glabāšanas laiks sausā un mitrā veidā. Piemēram, akumulatoru, pirms lietošanas nepievienojot elektrolītu, var uzglabāt ilgu laiku; šādam akumulatoram var būt ilgs glabāšanas laiks sausā stāvoklī. Uzglabāšanu ar elektrolītu sauc par mitro uzglabāšanu; mitrā uzglabāšana nodrošina spēcīgāku pašizlādes efektu un salīdzinoši īsāku glabāšanas laiku mitrā stāvoklī. Piemēram, cinka -sudraba akumulatora glabāšanas laiks sausā veidā var būt 5–8 gadi, savukārt mitrā stāvoklī tā glabāšanas laiks parasti ir tikai daži mēneši.