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Umfassender Leitfaden zur Analyse der Entladekurve von Lithium-Ionen-Batterien

30 Nov, 2023

By hoppt

Der am häufigsten verwendete Leistungstest für Lithium-Ionen-Batterien ist die Strategie zur Analyse der Entladekurve

Wenn sich der Lithium-Ionen-Akku entlädt, ändert sich seine Arbeitsspannung im Laufe der Zeit ständig. Die Arbeitsspannung der Batterie wird als Ordinate, die Entladezeit oder die Kapazität oder der Ladezustand (SOC) oder die Entladetiefe (DOD) als Abszisse verwendet, und die gezeichnete Kurve wird Entladekurve genannt. Um die Entladekennlinie einer Batterie zu verstehen, müssen wir zunächst die Spannung der Batterie im Prinzip verstehen.

[Spannung der Batterie]

Damit die Elektrodenreaktion zur Bildung der Batterie führt, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein: Der Prozess des Verlusts des Elektrons in der chemischen Reaktion (d. h. Oxidationsprozess) und der Prozess der Gewinnung des Elektrons (d. h. Reduktionsreaktionsprozess) müssen in zwei verschiedene Bereiche unterteilt werden. was sich von der allgemeinen Redoxreaktion unterscheidet; Die Redoxreaktion des Wirkstoffs zweier Elektroden muss über den externen Stromkreis übertragen werden, was sich von der Mikrobatteriereaktion im Metallkorrosionsprozess unterscheidet. Die Spannung der Batterie ist die Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode. Zu den spezifischen Schlüsselparametern gehören Leerlaufspannung, Arbeitsspannung, Lade- und Entlade-Abschaltspannung usw.

[Elektrodenpotential des Lithium-Ionen-Batteriematerials]

Das Elektrodenpotential bezieht sich auf das Eintauchen eines festen Materials in die Elektrolytlösung und zeigt den elektrischen Effekt, d. h. die Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche des Metalls und der Lösung. Diese Potentialdifferenz wird als Potential des Metalls in der Lösung oder als Potential der Elektrode bezeichnet. Kurz gesagt ist das Elektrodenpotential die Tendenz eines Ions oder Atoms, ein Elektron aufzunehmen.

Daher wird für ein bestimmtes positives oder negatives Elektrodenmaterial, wenn es in einen Elektrolyten mit einem Lithiumsalz gegeben wird, sein Elektrodenpotential wie folgt ausgedrückt:

Wobei φ c das Elektrodenpotential dieser Substanz ist. Das Standardpotential der Wasserstoffelektrode wurde auf 0.0 V eingestellt.

[Leerlaufspannung der Batterie]

Die elektromotorische Kraft der Batterie ist der theoretische Wert, der anhand der Reaktion der Batterie mithilfe der thermodynamischen Methode berechnet wird, d. h. die Differenz zwischen dem Gleichgewichtselektrodenpotential der Batterie und den positiven und negativen Elektroden bei Unterbrechung des Stromkreises ist der Maximalwert dass die Batterie die Spannung liefern kann. Tatsächlich befinden sich die positiven und negativen Elektroden im Elektrolyten nicht unbedingt im thermodynamischen Gleichgewichtszustand, d Die Leerlaufspannung der Batterie ist im Allgemeinen kleiner als ihre elektromotorische Kraft. Für die Elektrodenreaktion:

Unter Berücksichtigung des nicht standardmäßigen Zustands der Reaktantenkomponente und der Aktivität (oder Konzentration) der aktiven Komponente im Laufe der Zeit wird die tatsächliche Leerlaufspannung der Zelle durch die Energiegleichung modifiziert:

Dabei ist R die Gaskonstante, T die Reaktionstemperatur und a die Aktivität oder Konzentration der Komponente. Die Leerlaufspannung der Batterie hängt von den Eigenschaften des positiven und negativen Elektrodenmaterials, des Elektrolyten und der Temperaturbedingungen ab und ist unabhängig von der Geometrie und Größe der Batterie. Die Vorbereitung des Lithium-Ionen-Elektrodenmaterials in den Pol und die Montage des Lithium-Metallblechs in eine Knopf-Halbbatterie ermöglichen die Messung des Elektrodenmaterials in unterschiedlichen SOC-Zuständen der Leerlaufspannung nicht sehr groß, wenn die Leerlaufspannung zu schnell abfällt oder die Amplitude ein abnormales Phänomen ist. Die Änderung des Oberflächenzustands der bipolaren Wirkstoffe und die Selbstentladung der Batterie sind die Hauptgründe für die Abnahme der Leerlaufspannung bei der Lagerung, einschließlich der Änderung der Maskenschicht der positiven und negativen Elektrodenmaterialtabelle; die durch die thermodynamische Instabilität der Elektrode verursachte Potentialänderung, die Auflösung und Ausfällung metallischer Fremdverunreinigungen und der durch das Diaphragma zwischen der positiven und negativen Elektrode verursachte Mikrokurzschluss. Wenn die Lithium-Ionen-Batterie altert, ist die Änderung des K-Werts (Spannungsabfall) der Bildungs- und Stabilitätsprozess des SEI-Films auf der Oberfläche des Elektrodenmaterials. Wenn der Spannungsabfall zu groß ist, liegt im Inneren ein Mikrokurzschluss vor und die Batterie wird als nicht qualifiziert eingestuft.

[Batteriepolarisierung]

Wenn der Strom durch die Elektrode fließt, wird das Phänomen, dass die Elektrode vom Gleichgewichtselektrodenpotential abweicht, als Polarisation bezeichnet, und die Polarisation erzeugt das Überpotential. Entsprechend den Polarisationsursachen kann die Polarisation in ohmsche Polarisation, Konzentrationspolarisation und elektrochemische Polarisation unterteilt werden. FEIGE. In Abb. 2 ist die typische Entladekurve der Batterie und der Einfluss verschiedener Polarisationen auf die Spannung dargestellt.

 Abbildung 1. Typische Entladungskurve und Polarisation

(1) Ohmsche Polarisation: Aufgrund des Widerstands jedes Teils der Batterie folgt der Druckabfallwert dem Ohmschen Gesetz, der Strom nimmt ab, die Polarisation nimmt sofort ab und der Strom verschwindet sofort, nachdem er gestoppt wurde.

(2) Elektrochemische Polarisation: Die Polarisation wird durch die langsame elektrochemische Reaktion auf der Elektrodenoberfläche verursacht. Sie nahm im Mikrosekundenbereich deutlich ab, wenn der Strom kleiner wurde.

(3) Konzentrationspolarisation: Aufgrund der Verzögerung des Ionendiffusionsprozesses in der Lösung wird der Konzentrationsunterschied zwischen der Oberfläche der Elektrode und dem Lösungskörper unter einem bestimmten Strom polarisiert. Diese Polarisation nimmt ab oder verschwindet, wenn der elektrische Strom im makroskopischen Sekundenbereich (einige Sekunden bis mehrere zehn Sekunden) abnimmt.

Der Innenwiderstand der Batterie nimmt mit zunehmendem Entladestrom der Batterie zu, was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass ein großer Entladestrom den Polarisationstrend der Batterie erhöht. Je größer der Entladestrom, desto offensichtlicher ist der Polarisationstrend, wie gezeigt in Abbildung 2. Gemäß dem Ohmschen Gesetz: V=E0-IRT verringert sich mit der Erhöhung des inneren Gesamtwiderstands RT die Zeit, die die Batteriespannung benötigt, um die Entlade-Abschaltspannung zu erreichen, entsprechend, sodass auch die Freisetzungskapazität verringert wird reduziert.

Abbildung 2. Einfluss der Stromdichte auf die Polarisation

Bei einer Lithium-Ionen-Batterie handelt es sich im Wesentlichen um eine Art Lithium-Ionen-Konzentrationsbatterie. Der Lade- und Entladevorgang einer Lithium-Ionen-Batterie ist der Vorgang des Einbettens und Entfernens von Lithiumionen in die positiven und negativen Elektroden. Zu den Faktoren, die die Polarisation von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, gehören:

(1) Der Einfluss des Elektrolyten: Die geringe Leitfähigkeit des Elektrolyten ist der Hauptgrund für die Polarisierung von Lithium-Ionen-Batterien. Im allgemeinen Temperaturbereich beträgt die Leitfähigkeit des für Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Elektrolyten im Allgemeinen nur 0.01 bis 0.1 S/cm, was einem Prozent der wässrigen Lösung entspricht. Wenn sich Lithium-Ionen-Batterien daher mit einem hohen Strom entladen, ist es zu spät, Li + aus dem Elektrolyten zu ergänzen, und es tritt das Polarisationsphänomen auf. Die Verbesserung der Leitfähigkeit des Elektrolyten ist der Schlüsselfaktor zur Verbesserung der Hochstrom-Entladekapazität von Lithium-Ionen-Batterien.

(2) Der Einfluss von positiven und negativen Materialien: Der längere Kanal der Diffusion großer Lithiumionenpartikel aus positivem und negativem Material zur Oberfläche, was einer Entladung mit hoher Geschwindigkeit nicht förderlich ist.

(3) Leitmittel: Der Gehalt an Leitmittel ist ein wichtiger Faktor, der die Entladungsleistung bei hohem Verhältnis beeinflusst. Wenn der Gehalt an leitfähigem Mittel in der Kathodenformel nicht ausreicht, können die Elektronen nicht rechtzeitig übertragen werden, wenn der große Strom entladen wird, und der Polarisationsinnenwiderstand steigt schnell an, so dass die Batteriespannung schnell auf die Entladungsabschaltspannung reduziert wird .

(4) Der Einfluss des Poldesigns: Poldicke: Bei großer Stromentladung ist die Reaktionsgeschwindigkeit der Wirkstoffe sehr hoch, was eine schnelle Einbettung und Ablösung von Lithiumionen im Material erfordert. Wenn die Polplatte dick ist und der Weg der Lithiumionendiffusion zunimmt, erzeugt die Richtung der Poldicke einen großen Lithiumionenkonzentrationsgradienten.

Verdichtungsdichte: Die Verdichtungsdichte des Polblechs ist größer, die Poren werden kleiner und der Weg der Lithiumionenbewegung in Richtung der Polblechdicke ist länger. Darüber hinaus verringert sich bei einer zu großen Verdichtungsdichte die Kontaktfläche zwischen Material und Elektrolyt, die Elektrodenreaktionsstelle wird kleiner und auch der Innenwiderstand der Batterie steigt.

(5) Der Einfluss der SEI-Membran: Die Bildung der SEI-Membran erhöht den Widerstand der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, was zu einer Spannungshysterese oder Polarisation führt.

[Betriebsspannung der Batterie]

Die Betriebsspannung, auch Endspannung genannt, bezieht sich auf die Potentialdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode der Batterie, wenn im Betriebszustand Strom im Stromkreis fließt. Im Arbeitszustand der Batterieentladung sollte, wenn der Strom durch die Batterie fließt, der durch den Innenwiderstand verursachte Widerstand überwunden werden, was zu einem ohmschen Druckabfall und einer Elektrodenpolarisierung führt, sodass die Arbeitsspannung immer niedriger ist als die Leerlaufspannung. und beim Laden ist die Endspannung immer höher als die Leerlaufspannung. Das heißt, das Ergebnis der Polarisation führt dazu, dass die Endspannung der Batterieentladung niedriger ist als das elektromotorische Potenzial der Batterie, das höher ist als das elektromotorische Potenzial der geladenen Batterie.

Aufgrund des Polarisationsphänomens unterscheiden sich die Momentanspannung und die tatsächliche Spannung im Lade- und Entladevorgang. Beim Laden ist die Momentanspannung etwas höher als die tatsächliche Spannung, die Polarisation verschwindet und die Spannung sinkt, wenn die Momentanspannung und die tatsächliche Spannung nach der Entladung sinken.

Um die obige Beschreibung zusammenzufassen, lautet der Ausdruck:

E +, E- repräsentieren die Potentiale der positiven bzw. negativen Elektroden, E + 0 und E- -0 repräsentieren das Gleichgewichtselektrodenpotential der positiven bzw. negativen Elektroden, VR repräsentiert die ohmsche Polarisationsspannung und η + , η - - repräsentieren das Überpotential der positiven bzw. negativen Elektrode.

[Grundprinzip des Entladungstests]

Nach einem grundlegenden Verständnis der Batteriespannung begannen wir mit der Analyse der Entladekurve von Lithium-Ionen-Batterien. Die Entladungskurve spiegelt im Wesentlichen den Zustand der Elektrode wider, der sich aus der Überlagerung der Zustandsänderungen der positiven und negativen Elektrode ergibt.

Der Spannungsverlauf von Lithium-Ionen-Batterien während des Entladevorgangs lässt sich in drei Phasen einteilen

1) Im Anfangsstadium der Batterie fällt die Spannung schnell ab, und je größer die Entladerate, desto schneller fällt die Spannung ab;

2) Die Batteriespannung tritt in eine langsame Änderungsphase ein, die als Plattformbereich der Batterie bezeichnet wird. Je kleiner die Entladungsrate,

Je länger die Dauer des Bahnsteigbereichs ist, desto höher ist die Bahnsteigspannung, desto langsamer fällt der Spannungsabfall ab.

3) Wenn die Batterieleistung fast erschöpft ist, beginnt die Batterieladespannung stark abzufallen, bis die Entladestoppspannung erreicht ist.

Während des Tests gibt es zwei Möglichkeiten, Daten zu sammeln

(1) Sammeln Sie die Daten von Strom, Spannung und Zeit gemäß dem eingestellten Zeitintervall Δ t;

(2) Erfassen Sie die Strom-, Spannungs- und Zeitdaten entsprechend der eingestellten Spannungsänderungsdifferenz Δ V. Die Genauigkeit von Lade- und Entladegeräten umfasst hauptsächlich Stromgenauigkeit, Spannungsgenauigkeit und Zeitgenauigkeit. Tabelle 2 zeigt die Geräteparameter einer bestimmten Lade- und Entlademaschine, wobei % FS den Prozentsatz des Gesamtbereichs darstellt und 0.05 % RD sich auf den gemessenen Fehler innerhalb des Bereichs von 0.05 % des Messwerts bezieht. Lade- und Entladegeräte verwenden im Allgemeinen eine CNC-Konstantstromquelle anstelle eines Lastwiderstands für die Last, sodass die Ausgangsspannung der Batterie nichts mit dem Serienwiderstand oder dem parasitären Widerstand im Stromkreis zu tun hat, sondern nur mit der Spannung E und dem Innenwiderstand zusammenhängt r und der Stromkreis I der idealen Spannungsquelle, die der Batterie entspricht. Wenn der Widerstand als Last verwendet wird, stellen Sie die Spannung der idealen Spannungsquelle des Batterieäquivalents auf E, den Innenwiderstand auf r und den Lastwiderstand auf R ein. Messen Sie die Spannung an beiden Enden des Lastwiderstands mit der Spannung Messgerät, wie in der obigen Abbildung in Abbildung 6 dargestellt. In der Praxis gibt es jedoch Leitungswiderstände und Kontaktwiderstände der Vorrichtung (gleichmäßiger parasitärer Widerstand) im Stromkreis. Das in FIG. dargestellte Ersatzschaltbild. 3 ist in der folgenden Abbildung von FIG. dargestellt. 3. In der Praxis wird zwangsläufig der parasitäre Widerstand eingeführt, so dass der Gesamtlastwiderstand groß wird. Die gemessene Spannung ist jedoch die Spannung an beiden Enden des Lastwiderstands R, sodass der Fehler eingeführt wird.

 Abb. 3 Das Prinzipblockdiagramm und das tatsächliche Ersatzschaltbild der Widerstandsentladungsmethode

Bei Verwendung der Konstantstromquelle mit dem Strom I1 als Last sind das schematische Diagramm und das tatsächliche Ersatzschaltbild in Abbildung 7 dargestellt. E, I1 sind konstante Werte und r ist für eine bestimmte Zeit konstant.

Aus der obigen Formel können wir ersehen, dass die beiden Spannungen von A und B konstant sind, d. h. die Ausgangsspannung der Batterie hat nichts mit der Größe des Serienwiderstands in der Schleife zu tun und hat natürlich nichts damit zu tun mit dem parasitären Widerstand. Darüber hinaus kann mit dem Vierpol-Messmodus eine genauere Messung der Batterieausgangsspannung erreicht werden.

Abbildung 4: Geräteblockdiagramm und tatsächliches Ersatzschaltbild einer Konstantstromquellenlast

Gleichzeitige Quelle ist ein Stromversorgungsgerät, das der Last einen konstanten Strom liefern kann. Es kann den Ausgangsstrom dennoch konstant halten, wenn die externe Stromversorgung schwankt und sich die Impedanzeigenschaften ändern.

[Entladetestmodus]

Lade- und Entladetestgeräte verwenden im Allgemeinen das Halbleiterbauelement als Strömungselement. Durch Anpassen des Steuersignals des Halbleiterbauelements kann es eine Last mit unterschiedlichen Eigenschaften wie konstantem Strom, konstantem Druck und konstantem Widerstand usw. simulieren. Der Entladetestmodus für Lithium-Ionen-Batterien umfasst hauptsächlich Konstantstromentladung, Konstantwiderstandsentladung, Konstantleistungsentladung usw. In jedem Entlademodus können auch die kontinuierliche Entladung und die Intervallentladung unterteilt werden, wobei je nach Zeitdauer Die Intervallentladung kann in intermittierende Entladung und Impulsentladung unterteilt werden. Während des Entladetests entlädt sich der Akku gemäß dem eingestellten Modus und stoppt den Entladevorgang, sobald die eingestellten Bedingungen erreicht sind. Zu den Entladeabschaltbedingungen gehören die Einstellung der Spannungsabschaltung, die Einstellung der Zeitabschaltung, die Einstellung der Kapazitätsabschaltung, die Einstellung der Abschaltung bei negativem Spannungsgradienten usw. Die Änderung der Batterieentladespannung hängt mit dem Entladesystem zusammen Das heißt, die Änderung der Entladekurve wird auch vom Entladesystem beeinflusst, einschließlich: Entladestrom, Entladetemperatur, Entladeschlussspannung; intermittierende oder kontinuierliche Entladung. Je größer der Entladestrom, desto schneller sinkt die Betriebsspannung; Mit der Entladungstemperatur ändert sich die Entladungskurve sanft.

(1) Konstantstromentladung

Bei der Konstantstromentladung wird der Stromwert eingestellt, und dann wird der Stromwert durch Einstellen der CNC-Konstantstromquelle erreicht, um die Konstantstromentladung der Batterie zu realisieren. Gleichzeitig wird die Endspannungsänderung der Batterie erfasst, um das Entladeverhalten der Batterie zu erkennen. Bei einer Konstantstromentladung wird derselbe Entladestrom entladen, aber die Batteriespannung sinkt weiter, sodass die Leistung weiter sinkt. Abbildung 5 zeigt die Spannungs- und Stromkurve der Konstantstromentladung von Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der Konstantstromentladung lässt sich die Zeitachse leicht in die Kapazitätsachse (das Produkt aus Strom und Zeit) umrechnen. Abbildung 5 zeigt die Spannungs-Kapazitäts-Kurve bei Konstantstromentladung. Die Konstantstromentladung ist die am häufigsten verwendete Entlademethode bei Tests von Lithium-Ionen-Batterien.

Abbildung 5 Lade- und Entladekurven mit konstantem Strom, konstanter Spannung und konstantem Strom bei unterschiedlichen Multiplikatorraten

(2) Entladung mit konstanter Leistung

Wenn die konstante Leistung entladen wird, wird zunächst der konstante Leistungswert P eingestellt und die Ausgangsspannung U der Batterie gesammelt. Im Entladevorgang muss P konstant sein, U ändert sich jedoch ständig. Daher muss der Strom I der CNC-Konstantstromquelle gemäß der Formel I = P / U kontinuierlich angepasst werden, um den Zweck einer Entladung mit konstanter Leistung zu erreichen . Halten Sie die Entladeleistung unverändert, da die Spannung der Batterie während des Entladevorgangs immer weiter sinkt und der Strom bei der Entladung mit konstanter Leistung weiter ansteigt. Aufgrund der konstanten Leistungsentladung lässt sich die Zeitkoordinatenachse leicht in die Energiekoordinatenachse (das Produkt aus Leistung und Zeit) umrechnen.

Abbildung 6 Lade- und Entladekurven mit konstanter Leistung bei unterschiedlichen Verdopplungsraten

Vergleich zwischen Konstantstromentladung und Konstantstromentladung

Abbildung 7: (a) Lade- und Entladekapazitätsdiagramm bei verschiedenen Verhältnissen; (b) Lade- und Entladekurve

 Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse verschiedener Lade- und Entladetests in den beiden Modi Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie. Gemäß der Kapazitätskurve in FIG. Wie aus 7(a) hervorgeht, nimmt mit zunehmendem Lade- und Entladestrom im Konstantstrommodus die tatsächliche Lade- und Entladekapazität der Batterie allmählich ab, der Änderungsbereich ist jedoch relativ gering. Die tatsächliche Lade- und Entladekapazität des Akkus nimmt mit steigender Leistung allmählich ab, und je größer der Multiplikator, desto schneller nimmt die Kapazität ab. Die 1-Stunden-Entladekapazität ist geringer als im Modus mit konstantem Durchfluss. Wenn gleichzeitig die Lade-Entlade-Rate niedriger als die 5-Stunden-Rate ist, ist die Batteriekapazität unter der Bedingung mit konstanter Leistung höher, während die Batteriekapazität höher ist als die 5-Stunden-Rate unter der Bedingung mit konstantem Strom.

Abbildung 7 (b) zeigt die Kapazitäts-Spannungs-Kurve unter der Bedingung eines niedrigen Verhältnisses, der Zwei-Modus-Kapazitäts-Spannungs-Kurve einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie und der Änderung der Lade- und Entladespannungsplattform ist nicht groß, aber unter der Bedingung eines hohen Verhältnisses, Konstantstrom-Konstantspannungsmodus mit konstanter Spannungszeit deutlich länger, Ladespannungsplattform deutlich erhöht, Entladespannungsplattform deutlich reduziert.

(3) Entladung mit konstantem Widerstand

Bei der Entladung mit konstantem Widerstand wird zunächst ein konstanter Widerstandswert R eingestellt, um die Ausgangsspannung der Batterie U zu erfassen. Während des Entladevorgangs muss R konstant sein, U ändert sich jedoch ständig, sodass der aktuelle I-Wert des CNC-Konstantstroms ist Die Quelle sollte ständig gemäß der Formel I=U/R angepasst werden, um den Zweck einer Entladung mit konstantem Widerstand zu erreichen. Die Spannung der Batterie nimmt beim Entladevorgang immer ab und der Widerstand ist gleich, sodass auch der Entladestrom I ein abnehmender Vorgang ist.

(4) Kontinuierliche Entladung, intermittierende Entladung und Impulsentladung

Die Batterie wird mit konstantem Strom, konstanter Leistung und konstantem Widerstand entladen, während die Timing-Funktion verwendet wird, um die Steuerung von kontinuierlicher Entladung, intermittierender Entladung und Impulsentladung zu realisieren. Abbildung 11 zeigt die Stromkurven und Spannungskurven eines typischen Impulslade-/-entladetests.

Abbildung 8 Stromkurven und Spannungskurven für typische Impulslade-Entladetests

[In der Entladekurve enthaltene Informationen]

Unter Entladekurve versteht man den zeitlichen Verlauf von Spannung, Strom, Kapazität und anderen Veränderungen der Batterie während des Entladevorgangs. Die in der Lade- und Entladekurve enthaltenen Informationen sind sehr umfangreich, einschließlich Kapazität, Energie, Arbeitsspannung und Spannungsplattform, Beziehung zwischen Elektrodenpotential und Ladezustand usw. Die wichtigsten während des Entladetests aufgezeichneten Daten sind die Zeit Entwicklung von Strom und Spannung. Aus diesen Grunddaten können viele Parameter gewonnen werden. Im Folgenden werden die Parameter aufgeführt, die mit der Entladekurve ermittelt werden können.

(1) Spannung

Beim Entladetest von Lithium-Ionen-Batterien umfassen die Spannungsparameter hauptsächlich Spannungsplattform, mittlere Spannung, Durchschnittsspannung, Abschaltspannung usw. Die Plattformspannung ist der entsprechende Spannungswert, wenn die Spannungsänderung minimal und die Kapazitätsänderung groß ist , der aus dem Spitzenwert von dQ / dV erhalten werden kann. Die mittlere Spannung ist der entsprechende Spannungswert der halben Batteriekapazität. Bei Materialien, die auf der Plattform offensichtlicher sind, wie etwa Lithiumeisenphosphat und Lithiumtitanat, ist die mittlere Spannung die Plattformspannung. Die durchschnittliche Spannung ist die effektive Fläche der Spannungs-Kapazitäts-Kurve (d. h. Batterieentladeenergie), dividiert durch die Kapazitätsberechnungsformel: u = U (t) * I (t) dt / I (t) dt. Die Abschaltspannung bezieht sich auf die minimal zulässige Spannung, wenn sich die Batterie entlädt. Wenn die Spannung niedriger als die Entlade-Abschaltspannung ist, fällt die Spannung an beiden Enden der Batterie schnell ab, was zu einer übermäßigen Entladung führt. Eine Tiefentladung kann die aktive Substanz der Elektrode schädigen, die Reaktionsfähigkeit verlieren und die Batterielebensdauer verkürzen. Wie im ersten Teil beschrieben, hängt die Spannung der Batterie vom Ladezustand des Kathodenmaterials und dem Elektrodenpotential ab.

(2) Kapazität und spezifische Kapazität

Die Batteriekapazität bezieht sich auf die Menge an Elektrizität, die von der Batterie unter einem bestimmten Entladesystem (unter einem bestimmten Entladestrom I, Entladetemperatur T, Entladeabschaltspannung V) abgegeben wird, und gibt die Fähigkeit der Batterie an, Energie in Ah oder C zu speichern Die Kapazität wird von vielen Faktoren beeinflusst, wie z. B. dem Entladestrom, der Entladetemperatur usw. Die Kapazitätsgröße wird durch die Menge der aktiven Substanzen in den positiven und negativen Elektroden bestimmt.

Theoretische Kapazität: die Kapazität, die der Wirkstoff in der Reaktion verleiht.

Tatsächliche Kapazität: die tatsächliche Kapazität, die unter einem bestimmten Entladesystem freigegeben wird.

Nennkapazität: bezieht sich auf die Mindestleistung, die die Batterie unter den vorgesehenen Entladebedingungen garantiert.

Beim Entladetest wird die Kapazität durch Integration des Stroms über die Zeit berechnet, d. h. C = I (t) dt, konstanter Strom in t, konstante Entladung, C = I (t) dt = I t; konstanter Widerstand R Entladung, C = I (t) dt = (1 / R) * U (t) dt (1 / R) * out (u ist die durchschnittliche Entladespannung, t ist die Entladezeit).

Spezifische Kapazität: Um die verschiedenen Batterien vergleichen zu können, wird der Begriff der spezifischen Kapazität eingeführt. Spezifische Kapazität bezieht sich auf die Kapazität, die durch die aktive Substanz der Einheitsmasse oder Einheitsvolumenelektrode gegeben wird, die als massenspezifische Kapazität oder volumenspezifische Kapazität bezeichnet wird. Die übliche Berechnungsmethode ist: Spezifische Kapazität = Erstentladekapazität der Batterie / (Wirkstoffmasse * Wirkstoffausnutzungsgrad)

Faktoren, die die Batteriekapazität beeinflussen:

A. Der Entladestrom der Batterie: Je größer der Strom, desto geringer die Ausgangskapazität.

B. Entladetemperatur der Batterie: Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die Ausgangskapazität ab;

C. Die Entlade-Abschaltspannung der Batterie: Die durch das Elektrodenmaterial und die Grenze der Elektrodenreaktion selbst festgelegte Entladezeit beträgt im Allgemeinen 3.0 V oder 2.75 V.

D. Lade- und Entladezeiten des Akkus: Nach mehrmaligem Laden und Entladen des Akkus kann aufgrund des Versagens des Elektrodenmaterials die Entladekapazität des Akkus abnehmen.

e. Die Ladebedingungen der Batterie: Laderate, Temperatur, Abschaltspannung beeinflussen die Kapazität der Batterie und bestimmen somit die Entladekapazität.

 Methode zur Bestimmung der Batteriekapazität:

Verschiedene Branchen haben je nach Arbeitsbedingungen unterschiedliche Prüfstandards. Für Lithium-Ionen-Batterien für 3C-Produkte lautet die Testmethode für die Nennkapazität der Batterie gemäß der nationalen Norm GB/T18287-2000 „Allgemeine Spezifikation für Lithium-Ionen-Batterien für Mobiltelefone“ wie folgt: a) Laden: Laden mit 0.2C5A; b) Entladung: 0.2C5A Entladung; c) fünf Zyklen, davon einer qualifiziert.

Für die Elektrofahrzeugindustrie bezieht sich die Nennkapazität der Batterie gemäß der nationalen Norm GB/T 31486-2015 „Elektrische Leistungsanforderungen und Testmethoden für Leistungsbatterien für Elektrofahrzeuge“ auf die Kapazität (Ah), die die Batterie bei Raumtemperatur freigibt mit 1I1 (A) Stromentladung, um die Abschlussspannung zu erreichen, wobei I1 ein 1-Stunden-Entladestrom ist, dessen Wert gleich C1 (A) ist. Die Testmethode ist:

A) Stoppen Sie bei Raumtemperatur die Konstantspannung, wenn Sie mit Konstantstrom auf die vom Unternehmen angegebene Ladeschlussspannung laden, und stoppen Sie den Ladevorgang, wenn der Ladeschlussstrom auf 0.05 I1 (A) abfällt, und halten Sie den Ladevorgang anschließend 1 Stunde lang aufrecht Aufladen.

Bb) Bei Raumtemperatur wird die Batterie mit einem Strom von 1I1 (A) entladen, bis die Entladung die in den technischen Bedingungen des Unternehmens angegebene Entladeschlussspannung erreicht;

C) gemessene Entladungskapazität (gemessen in Ah), Berechnung der spezifischen Entladungsenergie (gemessen in Wh/kg);

3 d) Wiederholen Sie die Schritte a) -) c) 5 Mal. Wenn die extreme Differenz von 3 aufeinanderfolgenden Tests weniger als 3 % der Nennkapazität beträgt, kann der Test im Voraus abgeschlossen und die Ergebnisse der letzten 3 Tests gemittelt werden.

(3) Ladezustand, SOC

SOC (State of Charge) ist ein Ladezustand, der das Verhältnis der verbleibenden Kapazität der Batterie zu ihrem vollen Ladezustand nach einer bestimmten Zeitspanne oder über einen längeren Zeitraum bei einer bestimmten Entladerate angibt. Die Methode „Leerlaufspannung + Stundenzeitintegration“ verwendet die Leerlaufspannungsmethode, um die Ladekapazität der Batterie im Anfangszustand abzuschätzen, und verwendet dann die Stundenzeitintegrationsmethode, um die von der Batterie verbrauchte Leistung zu ermitteln Zeitintegrationsmethode. Die verbrauchte Leistung ist das Produkt aus Entladestrom und Entladezeit, und die verbleibende Leistung entspricht der Differenz zwischen der Anfangsleistung und der verbrauchten Leistung. Die mathematische Schätzung des Ladezustands zwischen Leerlaufspannung und Stundenintegral lautet:

Wobei CN die Nennkapazität ist; η ist die Lade-Entlade-Effizienz; T ist die Batteriebetriebstemperatur; I ist der Batteriestrom; t ist die Batterieentladezeit.

DOD (Depth of Discharge) ist die Entladungstiefe, ein Maß für den Entladungsgrad, der den Prozentsatz der Entladungskapazität an der gesamten Entladungskapazität darstellt. Die Entladetiefe hat einen großen Zusammenhang mit der Lebensdauer der Batterie: Je tiefer die Entladetiefe, desto kürzer die Lebensdauer. Die Beziehung wird für SOC = 100 % -DOD berechnet

4) Energie und spezifische Energie

Die elektrische Energie, die die Batterie unter bestimmten Bedingungen durch externe Arbeit abgeben kann, wird Energie der Batterie genannt und die Einheit wird im Allgemeinen in Wh ausgedrückt. In der Entladekurve errechnet sich die Energie wie folgt: W = U(t) * I(t) dt. Bei Konstantstromentladung ist W = I * U (t) dt = It * u (u ist die durchschnittliche Entladespannung, t ist die Entladezeit)

A. Theoretische Energie

Der Entladevorgang der Batterie befindet sich im Gleichgewichtszustand, die Entladespannung behält den Wert der elektromotorischen Kraft (E) bei und die Ausnutzungsrate des Wirkstoffs beträgt 100 %. Unter dieser Bedingung ist die Ausgangsenergie der Batterie die theoretische Energie, also die maximale Arbeit, die die reversible Batterie bei konstanter Temperatur und konstantem Druck verrichtet.

B. Die tatsächliche Energie

Die tatsächliche Ausgangsenergie der Batterieentladung wird als tatsächliche Energie bezeichnet. Gemäß den Vorschriften der Elektrofahrzeugindustrie („GB/T 31486-2015 Power Battery Electrical Performance Requirements and Test Methods for electric Vehicles“) beträgt die Batterie bei Raumtemperatur 1I1 (A ) Stromentladung, um die durch die Abschlussspannung freigesetzte Energie (Wh) zu erreichen, die als Nennenergie bezeichnet wird.

C. spezifische Energie

Die von einer Batterie pro Massen- und Volumeneinheit abgegebene Energie wird massenspezifische Energie oder volumenspezifische Energie, auch Energiedichte genannt, genannt. In Einheiten von Wh/kg oder Wh/L.

[Grundform der Entladekurve]

Die grundlegendste Form der Entladekurve ist die Spannungs-Zeit- und Strom-Zeit-Kurve. Durch die Transformation der Zeitachsenberechnung weist die gemeinsame Entladekurve auch die Spannungs-Kapazitäts-Kurve (spezifische Kapazität), die Spannungs-Energie-Kurve (spezifische Energie), die Spannungs-SOC-Kurve usw. auf.

(1) Spannungs-Zeit- und Strom-Zeit-Kurve

Abbildung 9 Spannungs-Zeit- und Strom-Zeit-Kurven

(2) Spannungs-Kapazitäts-Kurve

Abbildung 10 Spannungs-Kapazitäts-Kurve

(3) Spannungs-Energie-Kurve

Abbildung Abbildung 11. Spannungs-Energie-Kurve

[Referenzdokumentation]

  • Wang Chao et al. Vergleich der Lade- und Entladeeigenschaften von Konstantstrom und Konstantleistung in elektrochemischen Energiespeichern [J]. Energiespeicherwissenschaft und -technologie.2017(06):1313-1320.
  • Eom KS, Joshi T, Bordes A, et al. Das Design einer Li-Ionen-Vollzellenbatterie unter Verwendung einer Nano-Silizium- und Nano-Mehrschicht-Graphen-Verbundanode[J]
  • Guo Jipeng et al. Vergleich der Konstantstrom- und Konstantleistungstesteigenschaften von Lithium-Eisenphosphat-Batterien [J].Speicherbatterie.2017(03):109-115
  • Marinaro M, Yoon D, Gabrielli G, et al. Hochleistungs-Prototyp aus 1.2 Ah Si-Legierung/Graphit | LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 Li-Ionen-Akku[J].Journal of Power Sources.2017, 357 (Supplement C): 188-197.

 

 

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