ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ લાક્ષણિકતાઓ શું છે?
ચાર્જ અનેસ્રાવલક્ષણો
સલામતી, વિશ્વસનીયતા અને ચાર્જિંગ કાર્યક્ષમતા સુનિશ્ચિત કરવા માટે લિથિયમ-આયન બેટરી સામાન્ય રીતે બે તબક્કામાં ચાર્જિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે. પ્રથમ તબક્કો વોલ્ટેજ મર્યાદા સાથે સતત પ્રવાહ છે, અને બીજો તબક્કો વર્તમાન મર્યાદા સાથે સતત વોલ્ટેજ છે. લિથિયમ-આયન બેટરી ચાર્જ કરવા માટેની મહત્તમ વોલ્ટેજ મર્યાદા કેથોડ સામગ્રીના આધારે બદલાય છે. લિથિયમ-આયન બેટરીના મૂળભૂત ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ વળાંકો આકૃતિ 3-11 માં બતાવવામાં આવ્યા છે. આકૃતિમાં વણાંકો C/3 ના ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ પ્રવાહનો ઉપયોગ કરે છે. વિવિધ લિથિયમ-આયન બેટરીઓ માટે, મુખ્ય તફાવતો બે ગણા છે:
1) બેટરીની કેથોડ સામગ્રી અને ઉત્પાદન પ્રક્રિયાના આધારે પ્રથમ તબક્કા માટે શ્રેષ્ઠ સ્થિર વર્તમાન મૂલ્ય બદલાય છે. સામાન્ય રીતે, 0.2C થી 0.3C ની વર્તમાન શ્રેણીનો ઉપયોગ થાય છે. ઝડપી વીજ વપરાશના કિસ્સામાં, 1C, 2C અથવા તેનાથી પણ વધુ દરનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.
2) અલગ-અલગ લિથિયમ-આયન બેટરી સતત વર્તમાન સમયગાળામાં નોંધપાત્ર તફાવત દર્શાવે છે, અને ક્ષમતાનું પ્રમાણ કે જે સતત વર્તમાન દ્વારા કુલ ક્ષમતાને ચાર્જ કરી શકાય છે તે પણ નોંધપાત્ર રીતે બદલાય છે. વ્યવહારુ ઇલેક્ટ્રિક વાહન એપ્લિકેશન્સના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, લાંબા સમય સુધી સતત વર્તમાન સમયગાળો ટૂંકા કુલ ચાર્જિંગ સમયમાં પરિણમે છે, જે એપ્લિકેશન માટે વધુ ફાયદાકારક છે.
લિથિયમ-આયન બેટરી વોલ્ટેજ સ્થિર છે અને ડિસ્ચાર્જના પ્રારંભિક અને મધ્યમ તબક્કામાં ધીમે ધીમે ઘટે છે, પરંતુ પછીના તબક્કામાં ઝડપથી ઘટે છે, જેમ કે આકૃતિ 3-11 ના સેગમેન્ટ DE માં બતાવ્યા પ્રમાણે. ઓવર-ડિસ્ચાર્જ અને બેટરીને અપરિવર્તનશીલ નુકસાન અટકાવવા માટે આ તબક્કા દરમિયાન અસરકારક નિયંત્રણ નિર્ણાયક છે.
ચાર્જિંગ લાક્ષણિકતાઓને અસર કરતા પરિબળો
(1) ની અસરચાર્જિંગ વર્તમાનચાર્જિંગ લાક્ષણિકતાઓ પર ઉદાહરણ તરીકે 242A·h ની રેટ કરેલ ક્ષમતા સાથે ચોક્કસ NCM લિથિયમ-આયન બેટરી લેવાથી, SOC=0% અને 20 ડિગ્રીના સતત તાપમાન હેઠળ, ચાર્જિંગ માટે વિવિધ ચાર્જિંગ દરોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરિમાણ પરિણામો કોષ્ટક 3-1 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે અને ચાર્જિંગ વળાંક આકૃતિ 3-12 માં દર્શાવેલ છે.
કોષ્ટક 3-1 વિવિધ ચાર્જિંગ દરો માટે ચાર્જિંગ પરિમાણો
| વર્તમાન/એ(દર) | CC-CV①કુલ સમય | સતત વર્તમાન સમય/સે | કુલ ચાર્જ કરેલ ક્ષમતા/A·h | કુલ ચાર્જ થયેલ એનર્જી/ડબલ્યુ·એચ | સતત વર્તમાન ચાર્જ કરેલ ક્ષમતા/A·h | સતત વોલ્ટેજ ચાર્જ થયેલ એનર્જી/W·h | 170A·hTime/s | 170A·Current/A |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4.84/(0.02C) | 182220 | 182220 | 245.74 | 942.54 | 245.74 | 942.54 | 127400 | 4.85 |
| 12.1/(0.05C) | 72318.5 | 72318.5 | 243.70 | 935.37 | 243.70 | 935.37 | 50400 | 12.11 |
| 24.2/(0.1C) | 36206.8 | 35800 | 243.20 | 935.77 | 241.03 | 926.69 | 25200 | 24.24 |
| 48.4/(0.2C) | 18317.5 | 17560 | 241.08 | 933.32 | 236.32 | 912.16 | 12600 | 48.44 |
| 80.7/(0.33C) | 11443.6 | 10490 | 243.50 | 946.27 | 235.29 | 910.08 | 7590 | 80.76 |
| 121/(0.5C) | 7936.6 | 6900 | 243.92 | 952.95 | 232.09 | 900.85 | 5110 | 121.09 |
① CC, સતત વર્તમાન; સીવી, કોન્સ્ટન્ટ વોલ્ટેજ.
કોષ્ટક 3-1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સતત વર્તમાન સમય વધતા ચાર્જિંગ વર્તમાન સાથે ધીમે ધીમે ઘટતો જાય છે, અને સતત પ્રવાહ હેઠળ ચાર્જ કરી શકાય તેવી ક્ષમતા અને ઊર્જા પણ ધીમે ધીમે ઘટતી જાય છે. ધોરણ તરીકે 1/2 (એટલે કે, SOC=50%) ની ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ ક્ષમતાને લઈને, ચાર્જિંગ કરંટ વધવા સાથે જરૂરી ચાર્જિંગ સમય ઘટે છે; 0.1C માટે જરૂરી સમય 0.5C કરતાં લગભગ 5 ગણો છે. આ સ્થિતિ હેઠળ, સતત ચાર્જિંગ માટે વર્તમાન તફાવત નાનો છે, તેથી છેલ્લા 30A·h માટે ચાર્જિંગ સમય નોંધપાત્ર રીતે અલગ નથી. તેથી, બેટરીના અનુમતિપાત્ર ચાર્જિંગ વર્તમાનની અંદર, ચાર્જિંગ વર્તમાનમાં વધારો, જો કે સતત પ્રવાહ હેઠળ ચાર્જ થઈ શકે તેવી ક્ષમતા અને ઉર્જા ઘટાડવી, એકંદર ચાર્જિંગ સમય ઘટાડવામાં મદદ કરે છે. પ્રેક્ટિકલ બેટરી પેક એપ્લિકેશન્સમાં, લિથિયમ-આયન બેટરીના મહત્તમ સ્વીકાર્ય ચાર્જિંગ વર્તમાનનો ચાર્જિંગ માટે ઉપયોગ કરી શકાય છે, અને વોલ્ટેજ મર્યાદા સુધી પહોંચ્યા પછી, સતત વોલ્ટેજ ચાર્જિંગ કરી શકાય છે. આ ચાર્જિંગ સલામતીની ખાતરી કરતી વખતે ચાર્જિંગનો સમય ઘટાડે છે. જો કે, ચાર્જિંગ કરંટ વધારવાથી બેટરીના આંતરિક પ્રતિકારને કારણે ઉર્જાના નુકશાનમાં પણ વધારો થશે. આંતરિક પ્રતિકારમાં વપરાતી ઊર્જાની ગણતરી સમીકરણ (3-4) અનુસાર કરવામાં આવે છે.
જ્યાં E એ આંતરિક પ્રતિકાર દ્વારા વપરાતી ઊર્જા છે;
r એ બેટરીનો આંતરિક પ્રતિકાર છે;
t એ ચાર્જિંગ સમય ચલ છે;
હું ચાર્જિંગ વર્તમાન છું;
t₁ અને t₂ એ ચાર્જિંગની શરૂઆત અને સમાપ્તિ સમય છે.
વ્યાપક પરીક્ષણોએ દર્શાવ્યું છે કે ચાર્જિંગ દરમિયાન લિથિયમ-આયન બેટરીનો આંતરિક પ્રતિકાર 0.4 mΩ ની અંદર બદલાય છે. તેથી, સમીકરણ (3-4) બતાવે છે કે બેટરીના આંતરિક પ્રતિકારને કારણે ઊર્જાનો વપરાશ આવશ્યકપણે ચાર્જિંગ સમય સાથે રેખીય રીતે સંબંધિત છે, પરંતુ ચાર્જિંગ વર્તમાન સાથે ચતુર્થાંશ સંબંધિત છે. સતત વર્તમાન ચાર્જિંગ તબક્કા દરમિયાન, ચાર્જિંગ વર્તમાનની તીવ્રતા એ આંતરિક પ્રતિકાર ઊર્જા વપરાશને પ્રભાવિત કરતું પ્રાથમિક પરિબળ છે; ઉચ્ચ ચાર્જિંગ વર્તમાન વધુ ઊર્જા વપરાશમાં પરિણમે છે. સતત વોલ્ટેજ દરમિયાન, નીચા વર્તમાન તબક્કા, ચાર્જિંગ સમય આંતરિક પ્રતિકાર ઊર્જા વપરાશને પ્રભાવિત કરતું પ્રાથમિક પરિબળ બની જાય છે; લાંબો સમય ચાર્જ થવાથી વધુ ઊર્જાનો વપરાશ થાય છે. સમગ્ર ચાર્જિંગ પ્રક્રિયાને ધ્યાનમાં લેતા, કારણ કે ચાર્જિંગ વર્તમાનનો આંતરિક પ્રતિકાર ઊર્જા વપરાશ સાથે ચતુર્ભુજ સંબંધ છે અને તે મુખ્ય પરિબળ છે જે તેને અસર કરે છે, ઉચ્ચ ચાર્જિંગ વર્તમાન વધુ આંતરિક પ્રતિકાર ઊર્જા વપરાશમાં પરિણમે છે. પ્રેક્ટિકલ બેટરી એપ્લિકેશન્સમાં, ચાર્જિંગ સમય અને કાર્યક્ષમતા બંનેને વ્યાપક રીતે ધ્યાનમાં લઈને યોગ્ય ચાર્જિંગ કરંટ પસંદ કરવો જોઈએ.
(2) ચાર્જિંગ લાક્ષણિકતાઓ પર ડિસ્ચાર્જની ઊંડાઈની અસર 20 ડિગ્રીના સતત તાપમાન હેઠળ, 66.2 A·h ની રેટ કરેલી ક્ષમતા સાથે NCM લિથિયમ-આયન બેટરી પર ડિસ્ચાર્જ પરીક્ષણ હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું. 90%→0% ની સ્ટેટ ઑફ ચાર્જ (SOC) ને અનુરૂપ, ડિસ્ચાર્જની વિવિધ ઊંડાણો (DOD) (10%→100%) સુધી 0.5C ના દરે બેટરી ડિસ્ચાર્જ કરવામાં આવી હતી. ડિસ્ચાર્જ પ્રક્રિયા દરમિયાન વોલ્ટેજ, વર્તમાન અને ક્ષમતાનો ડેટા રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યો હતો. 60 મિનિટ આરામ કર્યા પછી, બેટરી 0.5C (CC) ના દરે ચાર્જ કરવામાં આવી હતી. જ્યારે કટઓફ વોલ્ટેજ પહોંચી ગયું હતું, ત્યારે ચાર્જિંગ મોડને કોન્સ્ટન્ટ વોલ્ટેજ (CV) પર સ્વિચ કરવામાં આવ્યો હતો. જ્યારે વર્તમાન 0.05C કરતા ઓછો હતો, ત્યારે પ્રક્રિયા બંધ કરવામાં આવી હતી, અને વોલ્ટેજ, વર્તમાન અને ક્ષમતા ડેટા રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યો હતો. સંબંધિત ડેટા કોષ્ટક 3-2 માં દર્શાવેલ છે. ડિસ્ચાર્જ પરિસ્થિતિઓની વિવિધ ઊંડાણો હેઠળ લિથિયમ-આયન બેટરીના ચાર્જિંગ વર્તમાન વણાંકો આકૃતિ 3-13 માં બતાવવામાં આવ્યા છે.
કોષ્ટક 3-2 ડિસ્ચાર્જની વિવિધ ઊંડાઈ પર ચાર્જિંગ ટેસ્ટ પરિમાણો
| એસઓસી | ડીઓડી | ડિસ્ચાર્જ | ચાર્જ | સમાન-ક્ષમતા ચાર્જ્ડ એનર્જી①/W·h | સમાન-ક્ષમતા ડિસ્ચાર્જ્ડ એનર્જી②/W·h | ચાર્જિંગનો સમય/મિનિટ | સતત વર્તમાન સમય/મિનિટ | સતત વર્તમાન ચાર્જ કરેલ ક્ષમતા/A·h | સરેરાશ ચાર્જિંગ ટાઈમર યુનિટ ક્ષમતા③/મિનિટ | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ક્ષમતા/A·h | ઊર્જા/W·h | ક્ષમતા/A·h | ઊર્જા/W·h | ||||||||
| 80.00 | 20.00 | 13.35 | 54.03 | 13.48 | 55.88 | 27.94 | 27.02 | 41.13 | 33.50 | 12.32 | 3.05 |
| 70.00 | 30.00 | 20.02 | 80.16 | 19.99 | 82.08 | 27.36 | 26.72 | 59.23 | 50.83 | 18.69 | 2.96 |
| 60.00 | 40.00 | 26.69 | 105.62 | 26.61 | 108.19 | 27.05 | 26.41 | 77.72 | 68.50 | 25.19 | 2.92 |
| 50.00 | 50.00 | 33.36 | 130.42 | 33.27 | 133.61 | 26.72 | 26.08 | 96.02 | 86.67 | 31.87 | 2.89 |
| 40.00 | 60.00 | 40.04 | 154.61 | 39.95 | 158.50 | 26.42 | 25.77 | 114.18 | 104.83 | 38.55 | 2.86 |
| 30.00 | 70.00 | 46.71 | 178.38 | 46.61 | 182.97 | 26.14 | 25.48 | 132.28 | 123.00 | 45.22 | 2.84 |
| 20.00 | 80.00 | 53.38 | 201.73 | 53.26 | 207.07 | 25.88 | 25.22 | 150.40 | 141.00 | 51.84 | 2.82 |
| 10.00 | 90.00 | 60.05 | 224.45 | 59.92 | 230.62 | 25.62 | 24.94 | 168.47 | 159.17 | 58.52 | 2.81 |
1 ઉદાહરણ તરીકે: જો 90% DOD પર ચાર્જ કરવાની ક્ષમતા 30W·h છે, તો સમાન-ક્ષમતા ચાર્જ કરેલ ઊર્જા 30W·h છે; જો 80% DOD પર ચાર્જ કરવાની ક્ષમતા 50W·h છે, તો સમાન{11}}ક્ષમતા ચાર્જ કરેલ ઊર્જા 25W·h છે.
② સમાન-ક્ષમતા વિસર્જિત ઊર્જા: સમાન SOC ફેરફાર હેઠળ વિસર્જિત ઊર્જા (દા.ત., 10%).
③ સરેરાશ ચાર્જિંગ સમય પ્રતિ યુનિટ ક્ષમતા/મિનિટ: ચાર્જિંગ સમય / ચાર્જિંગ ક્ષમતા.
કોષ્ટક 3-2 અને આકૃતિ 3-13 માંથી, નીચેના તારણો દોરી શકાય છે:
1) ડિસ્ચાર્જની વધતી ઊંડાઈ સાથે, ચાર્જિંગનો સમય વધે છે, પરંતુ એકમ ક્ષમતા દીઠ સરેરાશ ચાર્જિંગ સમય ઘટે છે, એટલે કે ચાર્જિંગ સમયમાં વધારો ડિસ્ચાર્જની ઊંડાઈના પ્રમાણસર નથી.
2) ડિસ્ચાર્જની વધતી ઊંડાઈ સાથે, સતત વર્તમાન ચાર્જિંગ સમય અને કુલ ચાર્જિંગ સમયનું પ્રમાણ વધે છે, અને સતત વર્તમાન ચાર્જિંગ ક્ષમતાનું પ્રમાણ જરૂરી ચાર્જિંગ ક્ષમતા વધે છે. વાસ્તવમાં, આ લાક્ષણિકતાઓ મુખ્યત્વે બે પરિબળોને કારણે થાય છે: પ્રથમ, ડિસ્ચાર્જની ઊંડી ઊંડાઈને બેટરીને સંપૂર્ણપણે ચાર્જ કરવા માટે વધુ સમયની જરૂર છે; બીજું, ડિસ્ચાર્જની ઊંડી ઊંડાઈ ઓછી વોલ્ટેજ રેન્જને અનુરૂપ છે, જેના પરિણામે સમાન વર્તમાન અને ચાર્જિંગ સમયની સ્થિતિમાં બેટરીમાં ઓછી ઉર્જા ચાર્જ થાય છે.
(3) ચાર્જિંગ લાક્ષણિકતાઓ પર તાપમાનનો પ્રભાવ લિથિયમ-આયન બેટરીઓ વિવિધ આસપાસના તાપમાન હેઠળ ચાર્જ કરવામાં આવતી હતી. ઉદાહરણ તરીકે 66.2 A·h NCM લિથિયમ-આયન બેટરી લેવાથી, સતત વર્તમાન અને વોલ્ટેજ મર્યાદિત કરવાની પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. કોષ્ટક 3-3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ચાર્જિંગ વર્તમાન મર્યાદા 1.3 A અને 3.3 A સાથે ચાર્જિંગ પરિમાણો રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા. સમાન ડિસ્ચાર્જ વર્તમાન હેઠળ, આકૃતિ 3-13 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બેટરી વોલ્ટેજમાં તીવ્ર ઘટાડો થશે. જો કે, કારણ કે વોલ્ટેજ પ્રમાણમાં ઊંચું રહે છે, ડિસ્ચાર્જ ઊર્જા હજુ પણ વધારે છે. ડિસ્ચાર્જના પ્રારંભિક તબક્કામાં, બેટરીના આંતરિક પ્રતિકાર દ્વારા વપરાતી ઊર્જા બેટરીના તાપમાનમાં વધારો કરે છે, લિથિયમ-આયન બેટરીની સક્રિય સામગ્રીની પ્રવૃત્તિમાં વધારો કરે છે, અને બેટરી વોલ્ટેજમાં વધારો કરે છે, આમ મુક્ત થઈ શકે તેવી ઊર્જામાં વધારો કરે છે. ડિસ્ચાર્જના મધ્ય અને પછીના તબક્કામાં, બેટરી વોલ્ટેજ ઘટે છે, અને એકમ સમય દીઠ પ્રકાશિત ઊર્જા તે મુજબ ઘટે છે.
સમાન તાપમાને અને સમાન ડિસ્ચાર્જ ટર્મિનેશન વોલ્ટેજ સાથે, અલગ-અલગ ડિસ્ચાર્જ ટર્મિનેશન કરંટને કારણે રિલીઝ થયેલી ક્ષમતા અને ઊર્જામાં તફાવત આવશે. સામાન્ય રીતે, સામાન્ય તાપમાનની પરિસ્થિતિઓમાં, પ્રવાહ જેટલો ઓછો હોય છે, તેટલી વધુ ક્ષમતા અને ઊર્જા પ્રકાશિત થાય છે. ઉપર દર્શાવેલ ડિસ્ચાર્જ પ્રયોગની જેમ, 0.2C 1C કરતાં 3.2% વધુ ક્ષમતા અને ઊર્જા મુક્ત કરે છે.
