Разрядная характеристика аккумуляторных батарей

Одна из важнейших характеристик производительностиаккумуляторы энергииэто их разрядная производительность. Чтобы охарактеризовать поведение батареи при разряде в различных условиях, необходимо измерить кривую разряда батареи, которая обычно представляет собой кривую, показывающую изменение напряжения разряда с течением времени. Различные условия сброса характеризуются стратегиями сброса, а разные стратегии сброса приводят к разным кривым сброса. Стратегии разряда обычно включают метод разряда, ток разряда, напряжение завершения и температуру окружающей среды.

Метод разряда

Существует три способа разрядки аккумулятора: разряд постоянного тока, разряд постоянного сопротивления и разряд постоянной мощности. Типичные кривые разряда показаны на рисунке 1-5, который иллюстрирует изменения тока разряда, напряжения и мощности в зависимости от времени разряда в этих трех режимах разряда.

Во время разрядки с постоянным-сопротивлением рабочее напряжение аккумулятора и ток разряда постепенно уменьшаются с течением времени. Аналогично, при разряде постоянного-тока рабочее напряжение также уменьшается по мере продолжения процесса разряда. Такое снижение рабочего напряжения при увеличении времени разряда происходит из-за увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора. Кроме того, с увеличением использования энергии аккумулятора в электроинструментах, электромобилях и других устройствах, разряд постоянной-мощности становится все более распространенным. Во время разряда постоянной-мощности напряжение батареи постоянно снижается, а ток разряда постоянно увеличивается по мере развития разряда.

Ток разряда

Во время работы батареи ток, который она выдает, называется током разряда. Ток разряда также обычно называют скоростью разряда и часто выражают с помощью часовой скорости (также известной как часовая скорость) и множителя.

Скорость разряда — это скорость, с которой аккумулятор разряжается, измеряемая во времени разряда. В частности, это время, необходимое для полного высвобождения емкости аккумулятора при использовании определенного тока разряда, обычно выражаемого в часах (ч). Например, для аккумулятора с номинальной емкостью 10 ампер-часов (А·ч), если он разряжается током 2 А, соответствующая скорость разряда составит 5 часов (10 А·ч/2 А=5ч), что означает, что аккумулятор разряжается со скоростью 5 часов.

Скорость разряда относится к значению тока, выраженному как кратное номинальной емкости аккумулятора, когда полная емкость аккумулятора полностью высвобождается в течение определенного времени. Например, разряд 2C означает, что ток разряда в два раза превышает номинальную емкость батареи, обычно обозначаемую 2C (где C представляет собой номинальную емкость батареи). Для аккумулятора с номинальной емкостью 10 А·ч разряд 2C (здесь возникает проблема с размерами, т. е. единицы емкости и тока не совпадают, но это общепринятое использование, поэтому оно не будет изменено) означает, что ток разряда равен 2 x 10=20 (А), что соответствует скорости разряда 0,5 часа. Различные типы и конструкции аккумуляторов имеют разную адаптируемость к условиям разряда: некоторые больше подходят для разрядки с низким-током, тогда как другие лучше работают при больших токах. Обычно скорость сброса ниже или равная 0,5°С называется низкой скоростью; температуры между 0,5°C и 3,5°C называются средними показателями; температуры между 3,5°С и 7°С называются высокими показателями; а температуры, превышающие 7C, называются сверх-высокими показателями.

Согласующее напряжение

При разряде батареи начальное значение напряжения определяется как пусковое рабочее напряжение; когда напряжение падает до порога, при котором дальнейший разряд больше не подходит, эта точка напряжения называется напряжением завершения. Конкретное значение этого напряжения нагрузки обычно устанавливается тестером на основе фактических требований к испытаниям и прошлого опыта.

Установленное напряжение завершения варьируется в зависимости от различных условий разряда и их влияния на емкость и срок службы аккумулятора. Более низкие напряжения согласования обычно используются в условиях низкой-температуры или в условиях разряда с высоким-током, тогда как более высокие напряжения согласования обычно устанавливаются в условиях разряда с низким-током. Это связано с тем, что поляризация между электродами батареи значительно увеличивается во время разряда при низкой-температуре или большом-токе, что приводит к неполному использованию активных материалов и более быстрому падению напряжения. Следовательно, соответствующее снижение напряжения нагрузки помогает высвободить больше энергии. И наоборот, при использовании разряда слабым-током активные компоненты батареи используются более полно. В этом случае увеличение конечного напряжения для ограничения глубокого разряда может эффективно продлить общий срок службы батареи.

Температура окружающей среды

Как показано на Рисунке 1-6, температура окружающей среды оказывает значительное влияние на кривую разряда. При более высоких температурах кривая разряда имеет относительно пологий тренд; однако по мере снижения температуры это изменение становится все более резким. Основная причина заключается в том, что при низких температурах скорость миграции ионов снижается, что приводит к увеличению омического внутреннего сопротивления. В крайних случаях, если температура слишком низкая, электролит может замерзнуть, что затруднит нормальный процесс разрядки аккумулятора. Кроме того, при более низких температурах электрохимическая поляризация и концентрационная поляризация соответственно усиливаются, что еще больше ускоряет скорость затухания разрядной кривой.

Рисунок 1-6. Кривые разрядки свинцово-кислотных аккумуляторов при различных температурах окружающей среды.

Мощность и удельная мощность

Емкость аккумулятора — это количество электроэнергии, которое можно получить от аккумулятора при определенных условиях разряда. Единица измерения обычно выражается в ампер-часах (Ач). В зависимости от реальной ситуации емкость аккумулятора можно разделить на теоретическую, фактическую и номинальную.

Теоретическая емкость (Co) относится к количеству электричества, которое может быть предоставлено в идеальных условиях, когда активный материал полностью участвует в электрохимической реакции батареи. Это значение рассчитывается на основе массы активного материала в соответствии с законом Фарадея. Закон Фарадея гласит, что существует прямо пропорциональная зависимость между массой материала, участвующего в реакции на электроде, и количеством переносимого им заряда; когда 1 моль активного материала участвует в электрохимическом процессе батареи, он может высвободить заряд, эквивалентный 26,8 А·ч или 1 фараду (Ф). Таким образом, существует следующая формула расчета:

В формуле m — масса действующего вещества при полном его взаимодействии; n — число электронов, полученных или потерянных в ходе реакции потока; М – молярная масса действующего вещества.

В формуле К назван электрохимическим эквивалентом действующего вещества.

Как показано в уравнении (1.5), теоретическая емкость электрода связана с массой активного материала и электрохимическим эквивалентом. При одинаковой массе активного материала, чем меньше электрохимический эквивалент, тем больше теоретическая емкость. Электрохимические эквиваленты некоторых материалов электродов показаны в Таблице 1-3.

Таблица 1-3 Электрохимические эквиваленты некоторых материалов электродов

Кроме того, часто используются понятия фактической мощности и номинальной мощности. Фактическая емкость означает общее количество электроэнергии, которое аккумулятор может обеспечить при определенных условиях разряда. Фактическая емкость ограничена не только теоретическим максимальным значением, но и конкретными условиями разряда.

Номинальная емкость, напротив, является стандартным набором для аккумулятора в процессе проектирования и производства; то есть минимальная выходная емкость, которую батарея должна достичь при определенных условиях разряда, также известная как номинальная емкость.

При сравнении разных типов аккумуляторов одной серии для оценки обычно используется удельная емкость. В частности, удельная емкость относится к количеству электроэнергии, которую батарея может обеспечить на единицу массы или объема, т. е. удельная массовая емкость (Ач/кг) и удельная объемная емкость (Ач/л). Важно отметить, что при расчете массы и объема аккумулятора, помимо материалов электродов и электролита, необходимо учитывать и другие компоненты аккумулятора, такие как корпус, сепаратор и соответствующие проводящие компоненты. Особенно для аккумуляторных батарей и топливных элементов общая масса и объем также включают все необходимое вспомогательное оборудование, такое как резервуары для хранения жидкостей, устройства активации (для аккумуляторных батарей) или системы хранения и подачи активных материалов, системы управления, нагревательные агрегаты и т. д. (для топливных элементов).

Введя понятие удельной емкости, мы можем сравнить производительность аккумуляторов разных типов и размеров. Емкость аккумулятора делится на теоретическую и фактическую емкость; соответственно, удельная емкость имеет также теоретический и фактический аспекты.

Энергия и удельная энергия

Под энергией аккумулятора понимается общая выработка электрической энергии аккумулятором при выполнении работы в определенных условиях разряда, обычно выражаемая в ватт-часах (Вт·ч). Энергия батареи также имеет теоретическую энергию и фактическую энергию.

Если предположить, что батарея остается в равновесии во время разрядки, а ее разрядное напряжение постоянно и равно ее электродвижущей силе, а также если предположить, что все активные материалы участвуют в химической реакции, то энергия, выделяемая батареей, должна быть равна ее теоретической максимальной энергии Wo.

Теоретическая энергия аккумулятора — это максимальная не-объёмная работа, совершаемая аккумулятором при постоянной температуре, постоянном давлении и условиях обратимого разряда.

Фактическая энергия (Вт) означает энергию, фактически вырабатываемую аккумулятором при определенных условиях разряда. Его рассчитывают численно путем умножения фактической емкости на среднее рабочее напряжение. Поскольку активные материалы внутри батареи не могут быть полностью использованы, а ее рабочее напряжение обычно ниже теоретической электродвижущей силы, фактическая энергия всегда меньше теоретической энергии.

Удельная энергия относится к энергии, выделяемой батареей на единицу массы или единицы объема. Выходная мощность на единицу массы аккумулятора определяется как удельная энергия массы, обычно измеряемая в ватт-часах на килограмм (Втч/кг). Выходная мощность на единицу объема аккумулятора определяется как объемная удельная энергия, обычно выражаемая в ватт-часах на литр (Втч/л). Кроме того, понятие удельной энергии можно дополнительно разделить на теоретическую (Вт) и фактическую (Вт), где теоретическую массовую удельную энергию можно рассчитать с помощью уравнения (1.9):

В формуле K+ — электрохимический эквивалент материала положительного электрода; K- — электрохимический эквивалент материала отрицательного электрода; E — электродвижущая сила батареи.

Мощность и удельная мощность

Под мощностью аккумулятора понимается выходная мощность аккумулятора в единицу времени при определенных условиях разряда, а ее единицей измерения является ватт (Вт) или киловатт (кВт). Когда эту выходную мощность рассматривают по отношению к массе или объему батареи, получается понятие удельной мощности. В частности, удельная мощность по массе измеряет, сколько ватт мощности может обеспечить единица массы батареи, и ее единица измерения — Вт/кг; в то время как объемная удельная мощность отражает мощность, генерируемую единицей объема батареи, и ее соответствующая единица — Вт/л.

Мощность и удельная мощность указывают на скорость разряда аккумулятора. Более высокая мощность батареи означает, что батарея может разряжаться с большим током или с высокой скоростью. Например, цинк-серебряная батарея может достигать удельной мощности более 100 Вт/кг при разряде средней плотности тока, что указывает на низкое внутреннее сопротивление и хорошие характеристики разряда при высокой-скорости разряда. Напротив, цинк-сухие элементы марганцевой батареи могут достигать удельной мощности только 10 Вт/кг при работе с низкой плотностью тока, что указывает на высокое внутреннее сопротивление и плохую скорость разряда при высокой-скорости. Подобно энергии аккумулятора, мощность также имеет теоретическую и фактическую мощность.

Теоретическая мощность батареи может быть выражена как:

В формуле t — время; Co – теоретическая емкость аккумулятора; и я — ток.

Фактическая мощность аккумулятора должна составлять:

В формуле я²R представляет мощность, потребляемую внутренним сопротивлением батареи. Эта мощность бесполезна для приложенной нагрузки; по существу он преобразуется в тепловую энергию и выделяется в виде тепла.

Цикл жизни

Для аккумуляторов срок службы или цикл использования является одним из ключевых показателей оценки производительности аккумулятора. Каждый полный цикл зарядки-разрядки считается периодом времени для аккумулятора.

При определенных условиях зарядки-разрядки количество циклов, которые аккумулятор может выдержать, прежде чем его емкость упадет до определенного заданного значения, определяется как срок службы или цикл использования. Чем дольше срок службы, тем лучше циклическая производительность батареи. Различные типы батарей имеют разный срок службы; например, никель-кадмиевые батареи могут выдерживать тысячи циклов, тогда как цинковые-серебряные батареи имеют относительно меньше циклов, некоторые даже меньше сотни. Стоит отметить, что даже батареи одного типа могут иметь разный срок службы из-за различий во внутренней структуре.

На срок службы аккумулятора влияет множество факторов. Помимо правильного использования и обслуживания, также применимы следующие ключевые аспекты: ① Во время циклов заряда-разряда площадь поверхности активного материала постепенно уменьшается, что приводит к увеличению плотности рабочего тока и усилению поляризации; ② Активные компоненты электродов могут отсоединяться или перемещаться; ③ Во время работы от аккумулятора некоторые материалы электродов могут подвергнуться коррозии; ④ Дендриты, образующиеся на электродах во время езды на велосипеде, могут вызвать короткое замыкание внутри аккумулятора; ⑤ Сепаратор может быть поврежден; ⑥ Кристаллическая морфология активного материала изменяется во время повторяющихся циклов зарядки-разрядки, тем самым снижая его активность.

Производительность хранилища

Производительность аккумулятора — это степень естественных потерь энергии внутри аккумулятора, когда он находится в состоянии разомкнутой-цепи при определенных условиях окружающей среды (например, при температуре и влажности). Это явление также известно как само-разряд. Если доля потерь энергии во время хранения невелика, это указывает на то, что батарея имеет отличные характеристики хранения.

Когда аккумулятор находится в состоянии разомкнутой-цепи, хотя он и не подает электроэнергию наружу, он все равно подвергается процессу-саморазрядки. Это явление обусловлено главным образом термодинамической нестабильностью электродов в среде электролита, приводящей к спонтанным окислительно-восстановительным реакциям между электродами. Даже в сухих условиях, если уплотнение недостаточно герметично, проникновение внешних факторов, таких как воздух или влага, все равно может вызвать эффект саморазряда- внутри аккумулятора.

Скорость саморазряда-также может быть выражена как количество дней, в течение которых емкость аккумулятора снижается до заданного значения при хранении, называемого сроком годности. Различают срок хранения в сухом состоянии и срок хранения во влажном состоянии. Например, аккумуляторная батарея без добавления электролита перед использованием может храниться длительное время; такая батарея может иметь длительный срок хранения в сухом состоянии. Хранение с электролитом называется мокрым хранением; Хранение во влажном состоянии приводит к более сильному эффекту саморазряда-и относительно более короткому сроку хранения во влажном состоянии. Например, срок хранения цинк-серебряной батареи в сухом состоянии составляет 5–8 лет, тогда как срок хранения во влажном состоянии обычно составляет всего несколько месяцев.