התיאוריה של טעינה ופריקה של ליתיום ותכנון שיטת חישוב החשמל (1)

1. מבוא לסוללת ליתיום-יון

1.1 מצב טעינה (SOC)

ניתן להגדיר מצב טעינה כמצב האנרגיה החשמלית הזמינה בסוללה, בדרך כלל מבוטא באחוזים.מכיוון שהאנרגיה החשמלית הזמינה משתנה עם זרם הטעינה והפריקה, הטמפרטורה וההזדקנות, ההגדרה של מצב המטען מחולקת גם היא לשני סוגים: מצב טעינה מוחלט (ASOC) ומצב טעינה יחסי (RSOC) .

בדרך כלל, טווח מצב הטעינה היחסי הוא 0% - 100%, בעוד שהוא 100% כאשר הסוללה טעונה במלואה ו-0% כאשר היא ריקה לגמרי.מצב הטעינה המוחלט הוא ערך ייחוס המחושב לפי ערך הקיבולת הקבועה המתוכננת כאשר הסוללה מיוצרת.מצב הטעינה המוחלט של סוללה חדשה טעונה במלואה הוא 100%;גם אם הסוללה המזדקנת טעונה במלואה, היא לא יכולה להגיע ל-100% בתנאי טעינה ופריקה שונים.

האיור הבא מציג את הקשר בין המתח לקיבולת הסוללה בקצבי פריקה שונים.ככל שקצב הפריקה גבוה יותר, קיבולת הסוללה נמוכה יותר.כאשר הטמפרטורה נמוכה, גם קיבולת הסוללה תרד.

איור 1. קשר בין מתח וקיבולת תחת קצבי פריקה וטמפרטורות שונות

1.2 מתח טעינה מרבי

מתח הטעינה המרבי קשור להרכב הכימי ולמאפייני הסוללה.מתח הטעינה של סוללת ליתיום הוא בדרך כלל 4.2V ו-4.35V, וערכי המתח של חומרי הקתודה והאנודה ישתנו.

1.3 טעון במלואו

כאשר ההפרש בין מתח הסוללה למתח הטעינה המרבי נמוך מ-100mV וזרם הטעינה מצטמצם ל-C/10, ניתן להתייחס לסוללה כטעונה במלואה.תנאי הטעינה המלאים משתנים בהתאם למאפייני הסוללה.

האיור שלהלן מציג עקומת מאפיין טיפוסית של טעינת סוללת ליתיום.כאשר מתח הסוללה שווה למתח הטעינה המרבי וזרם הטעינה מופחת ל-C/10, הסוללה נחשבת כטעונה במלואה

איור 2. עקומה אופיינית לטעינת סוללת ליתיום

1.4 מתח פריקה מינימלי

ניתן להגדיר את מתח הפריקה המינימלי על ידי מתח הפריקה הניתוק, שהוא בדרך כלל המתח כאשר מצב הטעינה הוא 0%.ערך מתח זה אינו ערך קבוע, אלא משתנה עם עומס, טמפרטורה, דרגת הזדקנות או גורמים אחרים.

1.5 פריקה מלאה

כאשר מתח הסוללה קטן או שווה למתח הפריקה המינימלי, ניתן לקרוא לזה פריקה מלאה.

1.6 קצב טעינה ופריקה (C-Rate)

קצב פריקת הטעינה הוא ייצוג של זרם הטעינה והפריקה ביחס לקיבולת הסוללה.לדוגמה, אם אתה משתמש ב-1C כדי לפרוק למשך שעה אחת, באופן אידיאלי, הסוללה תתרוקן לחלוטין.קצבי פריקת טעינה שונים יגרמו לקיבולת שמיש שונה.בדרך כלל, ככל שקצב פריקת טעינה גבוה יותר, הקיבולת הזמינה קטנה יותר.

1.7 חיי מחזור

מספר המחזורים מתייחס למספר הטעינה והפריקה המלאה של סוללה, אשר ניתן להעריך לפי יכולת הפריקה בפועל ויכולת התכנון.כאשר קיבולת הפריקה המצטברת שווה ליכולת התכנון, מספר המחזורים יהיה אחד.בדרך כלל, לאחר 500 מחזורי טעינה-פריקה, הקיבולת של הסוללה הטעונה במלואה תקטן ב-10%~20%.

איור 3. קשר בין זמני מחזור לקיבולת סוללה

1.8 פריקה עצמית

הפריקה העצמית של כל הסוללות תגדל עם עליית הטמפרטורה.פריקה עצמית היא בעצם לא פגם בייצור, אלא המאפיינים של הסוללה עצמה.עם זאת, טיפול לא נכון בתהליך הייצור יגרום גם להגברת הפריקה העצמית.ככלל, קצב הפריקה העצמית יוכפל כאשר טמפרטורת הסוללה תעלה ב-10 מעלות צלזיוס. קיבולת הפריקה העצמית של סוללות ליתיום-יון היא כ-1-2% לחודש, בעוד של סוללות שונות המבוססות על ניקל היא 10- 15% לחודש.

איור 4. ביצועים של קצב פריקה עצמית של סוללת ליתיום בטמפרטורות שונות