Az energiatároló akkumulátorok kisütési teljesítménye

Az egyik legfontosabb teljesítményjellemzőenergiatároló akkumulátoroka kisülési teljesítményük. Az akkumulátor kisülési viselkedésének jellemzéséhez különböző körülmények között meg kell mérni az akkumulátor kisülési görbéjét, amely általában a kisülési feszültség időbeli változását mutatja. A különböző kibocsátási feltételeket kisülési stratégiák jellemzik, és a különböző kibocsátási stratégiák eltérő kisülési görbéket eredményeznek. A kisütési stratégiák általában magukban foglalják a kisülési módot, a kisülési áramot, a lezárási feszültséget és a környezeti hőmérsékletet.

Kibocsátási módszer

Az akkumulátor háromféleképpen kisüthet: állandó áramkisülés, állandó ellenálláskisülés és állandó teljesítménykisülés. A tipikus kisülési görbéket az 1-5. ábra mutatja, amely szemlélteti a kisülési áram, feszültség és teljesítmény változásait a kisülési idő függvényében e három kisülési mód mellett.

Az állandó -ellenállási kisülés során az akkumulátor üzemi feszültsége és kisütési árama idővel fokozatosan csökken. Hasonlóképpen, állandó-áramú kisülés mellett az üzemi feszültség is csökken, ahogy a kisülési folyamat folytatódik. Az üzemi feszültségnek ez a csökkenése a hosszabb kisütési idő mellett az akkumulátor belső ellenállásának növekedéséből adódik. Ezenkívül az akkumulátoros energia növekvő felhasználásával az elektromos kéziszerszámokban, elektromos járművekben és más alkalmazásokban az állandó -kisülés egyre gyakoribb. Az állandó -teljesítmény-kisülés során az akkumulátor feszültsége folyamatosan csökken, míg a kisülési áram folyamatosan növekszik a kisülés előrehaladtával.

Kisülési áram

Az akkumulátor működése során az általa kibocsátott áramot kisütési áramnak nevezzük. A kisülési áramot általában kisülési sebességnek is nevezik, és gyakran az óradíjjal (más néven óradíjjal) és a szorzóval fejezik ki.

A kisülési sebesség az akkumulátor kisülési sebességére vonatkozik, a kisülési időben mérve. Pontosabban, ez az az idő, amely az akkumulátor kapacitásának teljes felszabadításához szükséges meghatározott kisülési áram segítségével, általában órákban (h) kifejezve. Például egy 10 amper-óra (A·h) névleges kapacitású akkumulátor esetén, ha 2A áramerősséggel lemerült, a megfelelő kisülési sebesség 5 óra (10A·h/2A=5h), ami azt jelenti, hogy az akkumulátor 5 órás lemerülési sebességgel történik.

A kisütési sebesség az akkumulátor névleges kapacitásának többszöröseként kifejezett áramértékre vonatkozik, amikor az akkumulátor teljes kapacitása egy adott időn belül teljesen felszabadul. Például a 2C kisütés azt jelenti, hogy a kisülési áram kétszerese az akkumulátor névleges kapacitásának, amit általában 2C képvisel (ahol C az akkumulátor névleges kapacitását jelenti). Egy 10A·h névleges kapacitású akkumulátornál a 2C kisütés (itt méretprobléma van, azaz a kapacitás és az áram mértékegységei nem azonosak, de ez elterjedt használat, ezért nem fog változni) azt jelenti, hogy a kisütési áram 2 x 10=20 (A), ami 0,5 órás kisülési sebességnek felel meg. A különböző típusú és kivitelű akkumulátorok eltérő módon alkalmazkodnak a kisütési körülményekhez: egyesek alkalmasabbak alacsony{12}áramú kisütésre, míg mások jobban teljesítenek nagy áramerősség esetén. Általában a 0,5 C-nál kisebb vagy azzal egyenlő kisülési sebességet alacsony sebességnek nevezzük; a 0,5C és 3,5C közöttieket közepes sebességnek nevezzük; a 3,5 és 7 °C közötti hőmérsékletet magas aránynak nevezzük; a 7°C felettieket pedig ultra{20}}magas díjaknak nevezzük.

Lezárási feszültség

Az akkumulátor kisülése során a kezdeti feszültségértéket az indító üzemi feszültségként határozzuk meg; amikor a feszültség olyan küszöbértékre esik, ahol a további kisülés már nem alkalmas, ezt a feszültségpontot lezáró feszültségnek nevezzük. Ennek a lezáró feszültségnek a konkrét értékét általában a tesztelő határozza meg a tényleges vizsgálati követelmények és a múltbeli tapasztalatok alapján.

A beállított lezárási feszültség a különböző kisülési feltételektől és azok akkumulátorkapacitásra és élettartamra gyakorolt ​​hatásától függően változik. Alacsonyabb végfeszültséget általában alacsony-hőmérsékletű környezetben vagy nagy-áramú kisülési körülmények között alkalmaznak, míg magasabb végfeszültséget általában alacsony-áramú kisülési körülmények között. Ennek az az oka, hogy az akkumulátor elektródái közötti polarizáció jelentősen megnövekszik alacsony-hőmérséklet vagy nagy-áram kisülése esetén, ami az aktív anyagok nem teljes kihasználását és gyorsabb feszültségesést eredményez. Ezért a lezárási feszültség megfelelő csökkentése segít több energia felszabadításában. Ezzel szemben alacsony-áramú kisülés esetén az akkumulátor aktív komponensei teljesebben kihasználódnak. Ebben az esetben a lezárási feszültség növelése a mélykisülés korlátozása érdekében hatékonyan meghosszabbíthatja az akkumulátor teljes élettartamát.

Környezeti hőmérséklet

Amint az 1-6. ábrán látható, a környezeti hőmérséklet jelentős hatással van a kisülési görbére. Magasabb hőmérsékleten a kisülési görbe viszonylag enyhe tendenciát mutat; a hőmérséklet csökkenésével azonban ez a változás egyre drasztikusabbá válik. Ennek alapvető oka az, hogy alacsony hőmérsékleten az ionok migrációs sebessége csökken, ami az ohmos belső ellenállás növekedéséhez vezet. Szélsőséges esetekben, ha a hőmérséklet túl alacsony, az elektrolit megfagyhat, ami akadályozza az akkumulátor normál kisülési folyamatát. Ezen túlmenően alacsonyabb hőmérsékleten az elektrokémiai polarizáció és a koncentráció polarizáció megfelelően fokozódik, tovább gyorsítva a kisülési görbe csillapítási sebességét.

1. ábra-6. Ólom-savas akkumulátorok kisülési görbéi különböző környezeti hőmérsékleteken

Kapacitás és fajlagos kapacitás

Az akkumulátor kapacitása az a villamos energia mennyisége, amely bizonyos lemerülési körülmények között az akkumulátorból nyerhető. A mértékegységet általában amper{1}}órában (Ah) fejezik ki. A tényleges helyzettől függően az akkumulátor kapacitása tovább osztható elméleti kapacitásra, tényleges kapacitásra és névleges kapacitásra.

Az elméleti kapacitás (Co) azt a villamos energiát jelenti, amely ideális körülmények között biztosítható, amikor az aktív anyag teljes mértékben részt vesz az akkumulátor elektrokémiai reakciójában. Ezt az értéket az aktív anyag tömege alapján számítják ki, követve Faraday törvényét. Faraday törvénye kimondja, hogy az elektródánál a reakcióban részt vevő anyag tömege és az általa átvitt töltés mennyisége között egyenes arányos összefüggés van; ha 1 mol aktív anyag vesz részt az akkumulátor elektrokémiai folyamatában, akkor 26,8 A·h-nak vagy 1 faradnak (F) megfelelő töltést tud felszabadítani. Ezért a következő számítási képlet létezik:

A képletben m a hatóanyag tömege, amikor az teljesen reagál; n az áramlási reakció során nyert vagy elvesztett elektronok száma; és M a hatóanyag moláris tömege.

A képletben K-t a hatóanyag elektrokémiai megfelelőjének nevezzük.

Ahogy az (1.5) egyenlet mutatja, az elektróda elméleti kapacitása az aktív anyag tömegével és az elektrokémiai ekvivalensével függ össze. Azonos tömegű aktív anyag esetén minél kisebb az elektrokémiai egyenérték, annál nagyobb az elméleti kapacitás. Néhány elektródaanyag elektrokémiai egyenértékét az 1-3. táblázat tartalmazza.

1-3. táblázat Egyes elektródaanyagok elektrokémiai egyenértékei

Emellett gyakran használják a tényleges kapacitás és a névleges kapacitás fogalmát. A tényleges kapacitás az akkumulátor által adott kisütési feltételek mellett képes teljes villamosenergia-mennyiséget jelenti. A tényleges kapacitást nemcsak az elméleti maximális érték korlátozza, hanem a konkrét kisülési feltételek is.

A névleges kapacitás ezzel szemben az akkumulátorra vonatkozó szabvány a tervezési és gyártási folyamat során; vagyis az a minimális kimeneti kapacitás, amelyet az akkumulátornak el kell érnie meghatározott kisülési feltételek mellett, más néven névleges kapacitás.

Az azonos sorozaton belüli különböző típusú akkumulátorok összehasonlításakor általában az adott kapacitást használják az értékeléshez. Konkrétan, a fajlagos kapacitás azt a villamos energiát jelenti, amelyet az akkumulátor egységnyi tömegre vagy térfogatra képes biztosítani, azaz tömegspecifikus kapacitást (Ah/kg) és térfogati fajlagos kapacitást (Ah/L). Fontos megjegyezni, hogy az akkumulátor tömegének és térfogatának kiszámításakor az elektróda anyagok és az elektrolit figyelembevétele mellett az akkumulátor egyéb összetevőit is figyelembe kell venni, mint például a burkolat, a szeparátor és a kapcsolódó vezető alkotóelemek. Különösen a tároló akkumulátorok és üzemanyagcellák esetében a teljes tömeg és térfogat minden szükséges segédberendezést is tartalmaz, mint például a folyadékok tárolására szolgáló tartályok, aktiváló eszközök (tároló akkumulátorokhoz), vagy aktív anyagtároló és -ellátó rendszerek, vezérlőrendszerek, fűtőegységek stb.

A fajlagos kapacitás fogalmának bevezetésével összehasonlíthatjuk a különböző típusú és méretű akkumulátorok teljesítményét. Az akkumulátor kapacitása elméleti és tényleges kapacitásra oszlik; ennek megfelelően a fajlagos kapacitásnak elméleti és tényleges vonatkozásai is vannak.

Energia és fajlagos energia

Az akkumulátor energiája az akkumulátor által adott kisütési körülmények között végzett munka során leadott teljes elektromos energiát jelenti, általában watt{0}}órában (W·h) kifejezve. Az akkumulátor energiájának van elméleti és tényleges energiája is.

Feltételezve, hogy az akkumulátor a kisülés során egyensúlyban marad, és a kisülési feszültsége állandó, egyenlő az elektromotoros erejével, valamint feltételezve, hogy minden aktív anyag részt vesz a kémiai reakcióban, akkor az akkumulátor által szolgáltatott energiának egyenlőnek kell lennie az elméleti Wo maximális energiájával.

Az akkumulátor elméleti energiája az akkumulátor által állandó hőmérsékleten, állandó nyomáson és reverzibilis kisütési körülmények között végzett maximális nem{0}}térfogatú munka.

A tényleges energia (W) az akkumulátor által bizonyos kisülési körülmények között ténylegesen biztosított energiára utal. Számszerűen úgy kapjuk meg, hogy a tényleges kapacitást megszorozzuk az átlagos üzemi feszültséggel. Mivel az akkumulátor belsejében lévő aktív anyagokat nem lehet teljes mértékben hasznosítani, és az üzemi feszültsége általában alacsonyabb, mint az elméleti elektromotoros erő, a tényleges energia mindig kisebb, mint az elméleti energia.

A fajlagos energia az akkumulátor egységnyi tömegére vagy térfogategységére jutó energiáját jelenti. Az akkumulátor egységnyi tömegére jutó kibocsátott energia tömegspecifikus energiaként van meghatározva, általában watt{1}}óra per kilogrammban (Wh/kg) mérve. Az akkumulátor egységnyi térfogatára jutó kibocsátott energia térfogati fajlagos energiaként van meghatározva, jellemzően watt-óra per literben (Wh/L). Továbbá a fajlagos energia fogalma tovább bontható elméleti (W) és tényleges (W) részekre, ahol az elméleti tömegfajlagos energia az (1.9) egyenlet segítségével számítható ki:

A képletben K+ a pozitív elektród anyagának elektrokémiai megfelelője; K- a negatív elektród anyagának elektrokémiai megfelelője; és E az akkumulátor elektromotoros ereje.

Teljesítmény és fajlagos teljesítmény

Az akkumulátor teljesítménye az akkumulátor egységnyi idő alatt adott kisütési feltételek melletti teljesítményére utal, mértékegysége a watt (W) vagy a kilowatt (kW). Ha ezt a kimeneti teljesítményt az akkumulátor tömegéhez vagy térfogatához viszonyítjuk, akkor a fajlagos teljesítmény fogalmát kapjuk. Konkrétan a tömegspecifikus teljesítmény azt méri, hogy egy egységnyi tömegű akkumulátor hány watt teljesítményt tud biztosítani, mértékegysége pedig W/kg; míg a térfogati fajlagos teljesítmény az egységnyi térfogatú akkumulátor által termelt teljesítményt tükrözi, és a megfelelő mértékegysége W/L.

A teljesítmény és a fajlagos teljesítmény az akkumulátor kisülési sebességét jelzi. A nagyobb akkumulátorteljesítmény azt jelenti, hogy az akkumulátor nagy áramerősséggel vagy nagy sebességgel lemerülhet. Például egy cink-ezüst akkumulátor 100 W/kg feletti fajlagos teljesítményt érhet el közepes áramsűrűség mellett, ami alacsony belső ellenállást és jó nagy-sebességű kisülési teljesítményt jelez. Ezzel szemben a cink-mangán szárazelemes akkumulátor alacsony áramsűrűség mellett csak 10 W/kg fajlagos teljesítményt képes elérni, ami nagy belső ellenállást és gyenge nagy-kisülési teljesítményt jelez. Az akkumulátor energiájához hasonlóan a teljesítménynek elméleti és tényleges teljesítménye is van.

Az akkumulátor elméleti teljesítménye a következőképpen fejezhető ki:

A képletben t az idő; Co az akkumulátor elméleti kapacitása; és én vagyok az áramlat.

Az akkumulátor tényleges teljesítményének a következőnek kell lennie:

A képletben az I²R az akkumulátor belső ellenállása által fogyasztott energiát jelenti. Ez az erő haszontalan az alkalmazott terheléshez; lényegében hőenergiává alakul és hőként szabadul fel.

Ciklusélettartam

Az akkumulátorok esetében a ciklus élettartama vagy használati ciklusa az egyik legfontosabb mutató az akkumulátor teljesítményének értékeléséhez. Minden teljes töltési{1}}kisütési ciklus egy akkumulátor időtartamának számít.

Adott töltési-kisütési feltételek mellett az akkumulátor élettartama vagy használati ciklusaként határozza meg, hogy hány ciklust tud kibírni, mielőtt kapacitása egy bizonyos értékre csökken. Minél hosszabb a ciklus élettartama, annál jobb az akkumulátor ciklusteljesítménye. A különböző típusú akkumulátorok élettartama eltérő; például a nikkel-kadmium akkumulátorok több ezer ciklust képesek elérni, míg a cink-ezüst akkumulátorok viszonylag rövidebb ciklusúak, némelyikük száznál is kevesebb. Érdemes megjegyezni, hogy még az azonos típusú akkumulátorok élettartama is eltérő lehet a belső szerkezetük eltérései miatt.

Az akkumulátor élettartamát számos tényező befolyásolja. A megfelelő használaton és karbantartáson kívül a következő kulcsfontosságú szempontok is érvényesek: ① A töltési-kisütési ciklusok során az aktív anyag felülete fokozatosan csökken, ami az üzemi áramsűrűség növekedéséhez és a polarizáció fokozódásához vezet; ② Az elektródák aktív alkatrészei leválhatnak vagy átkerülhetnek; ③ Az akkumulátor működése közben egyes elektródák korrodálódhatnak; ④ A kerékpározás során az elektródákon képződő dendritek rövidzárlatot okozhatnak az akkumulátor belsejében; ⑤ Az elválasztó megsérülhet; ⑥ Az aktív anyag kristálymorfológiája az ismételt töltési -kisülési ciklusok során megváltozik, ezáltal csökken az aktivitása.

Tárolási teljesítmény

Az akkumulátor tárolási teljesítménye az akkumulátoron belüli természetes energiaveszteség mértékére vonatkozik, amikor az adott környezeti feltételek (például hőmérséklet és páratartalom) mellett nyitott{0}}áramköri állapotban van. Ezt a jelenséget önkisülésnek is nevezik. Ha a tárolás során az energiaveszteség aránya kicsi, az azt jelzi, hogy az akkumulátor kiváló tárolási teljesítménnyel rendelkezik.

Ha az akkumulátor nyitott-áramköri állapotban van, bár nem látja el az elektromos energiát a külvilág felé, önkisülési folyamaton megy keresztül. Ez a jelenség főként az elektródák elektrolitkörnyezetében lévő termodinamikai instabilitásának köszönhető, ami spontán redox reakciókhoz vezet az elektródák között. Még száraz körülmények között is, ha a tömítés nem elég szoros, a külső tényezők, például a levegő vagy a nedvesség beszivárgása önkisülési hatást válthat ki az akkumulátor belsejében.

Az önkisülési sebességet úgy is kifejezhetjük, hogy hány napra van szükség ahhoz, hogy az akkumulátor kapacitása tároláskor egy meghatározott értékre csökkenjen. Ez az eltarthatósági idő. Például egy akkumulátor hosszú ideig tárolható anélkül, hogy használat előtt elektrolitot adna hozzá; egy ilyen akkumulátor hosszú szárazon eltartható. Az elektrolitos tárolást nedves tárolásnak nevezik; nedves tárolás erősebb önkisülési hatást{4}} és viszonylag rövidebb nedves tárolási időt eredményez. Például egy cink-ezüst akkumulátor szárazon 5–8 évig tarthat, míg nedvesen általában csak néhány hónap.