Mitkä ovat lataus- ja purkausominaisuudet?

Mitkä ovat lataus- ja purkausominaisuudet?

Litium-ioni-akut käyttävät yleensä kaksi-vaiheista lataustapaa turvallisuuden, luotettavuuden ja lataustehokkuuden varmistamiseksi. Ensimmäinen vaihe on vakiovirta jänniterajoituksella ja toinen vaihe on vakiojännite virtarajoituksella. Litium-ioni-akun lataamisen enimmäisjännite vaihtelee katodimateriaalin mukaan. Litium--ioniakun peruslataus/purkausjännitekäyrät on esitetty kuvassa 3-11. Kuvan käyrät käyttävät lataus/purkausvirtaa C/3. Eri litiumioniakkujen tärkeimmät erot ovat kaksinkertaiset:

Figure 3-11 Basic charging and discharging voltage curve of lithium-ion battery

1) Ensimmäisen vaiheen optimaalinen vakiovirta-arvo vaihtelee riippuen akun katodimateriaalista ja valmistusprosessista. Yleensä käytetään virta-aluetta 0,2 C - 0,3 C. Nopeassa virrankulutuksessa voidaan käyttää 1C, 2C tai jopa suurempia nopeuksia.

2) Eri litiumioniakuilla on merkittäviä eroja vakiovirran kestossa, ja vakiovirralla ladattavan kapasiteetin osuus kokonaiskapasiteetista vaihtelee myös huomattavasti. Käytännön sähköajoneuvojen sovellusten näkökulmasta pidempi vakiovirran kesto johtaa lyhyempään kokonaislatausaikaan, mikä on sovelluksille edullisempaa.

Litium-ioniakun jännite on vakaa ja laskee hitaasti purkauksen alku- ja keskivaiheessa, mutta putoaa nopeasti myöhemmissä vaiheissa, kuten kuvan 3-11 segmentistä DE näkyy. Tehokas ohjaus on ratkaisevan tärkeää tässä vaiheessa, jotta vältetään ylipurkautuminen ja akun peruuttamaton vaurioituminen.

(1) Vaikutuslatausvirtalatausominaisuuksista Otetaan esimerkkinä tietty NCM-litium--ioniakku, jonka nimelliskapasiteetti on 242A·h, SOC=0% olosuhteissa ja vakiolämpötilassa 20 astetta lataukseen käytettiin erilaisia latausnopeuksia. Parametritulokset on esitetty taulukossa 3-1 ja latauskäyrä on esitetty kuvassa 3-12.

Nykyinen/A(kurssi)	CC-CV①Kokonaisaika	Vakio CurrentTime/s	Ladattu kokonaiskapasiteetti/A·h	Ladattu kokonaisenergia/W·h	VakiovirtaLadattu kapasiteetti/A·h	Vakiojännite Ladattu energia/W·h	170A·hTime/s	170A·hVirta/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, vakiovirta; CV, vakiojännite.

Figure 3-12 Lithium-ion battery charging curves at different C-rates

Kuten taulukosta 3-1 näkyy, vakiovirran aika pienenee vähitellen latausvirran kasvaessa, ja myös vakiovirralla ladattavissa oleva kapasiteetti ja energia laskevat vähitellen. Kun lataus- ja purkauskapasiteetti on 1/2 (eli SOC=50%) vakiona, vaadittu latausaika lyhenee latausvirran kasvaessa; 0,1 C:een vaadittava aika on noin 5 kertaa 0,5 C:n lämpötilaan verrattuna. Näissä olosuhteissa virtaero jatkuvassa latauksessa on pieni, joten latausaika viimeisen 30 A·h:n aikana ei eroa merkittävästi. Siksi akun sallitun latausvirran rajoissa latausvirran lisääminen, vaikka se pienentää vakiovirralla ladattavaa kapasiteettia ja energiaa, auttaa lyhentämään kokonaislatausaikaa. Käytännön akkusovelluksissa lataukseen voidaan käyttää litiumioniakun suurinta sallittua latausvirtaa ja jänniterajan saavuttamisen jälkeen voidaan suorittaa vakiojännitelataus. Tämä lyhentää latausaikaa ja varmistaa samalla latausturvallisuuden. Latausvirran lisääminen johtaa kuitenkin myös energiahäviön lisääntymiseen akun sisäisen vastuksen vuoksi. Sisäisen vastuksen kulutettu energia lasketaan yhtälön (3-4) mukaisesti.

Factors affecting charging characteristics

missä E on sisäisen vastuksen kuluttama energia;

r on akun sisäinen vastus;

t on latausaikamuuttuja;

I on latausvirta;

t₁ ja t2 ovat latauksen alkamis- ja päättymisajat.

Laajat testit ovat osoittaneet, että litiumioniakkujen sisäinen vastus muuttuu 0,4 mΩ:n sisällä latauksen aikana. Siksi yhtälö (3-4) osoittaa, että akun sisäisestä resistanssista johtuva energiankulutus on olennaisesti lineaarisesti suhteessa latausaikaan, mutta neliöllisesti suhteessa latausvirtaan. Vakiovirtalatausvaiheessa latausvirran suuruus on ensisijainen sisäisen resistanssin energiankulutukseen vaikuttava tekijä; suurempi latausvirta lisää energiankulutusta. Vakiojännite-, matalavirtavaiheen aikana latausajasta tulee ensisijainen sisäiseen resistanssin energiankulutukseen vaikuttava tekijä; pidempi latausaika lisää energiankulutusta. Kun otetaan huomioon koko latausprosessi, koska latausvirralla on neliöllinen suhde sisäisen vastuksen energiankulutukseen ja se on pääasiallinen siihen vaikuttava tekijä, suurempi latausvirta johtaa suurempaan sisäiseen resistanssin energiankulutukseen. Käytännöllisissä akkusovelluksissa sopiva latausvirta tulee valita ottamalla kokonaisvaltaisesti huomioon sekä latausaika että tehokkuus.

(2) Purkaussyvyyden vaikutus latausominaisuuksiin Vakiolämpötilassa 20 astetta purkaustesti suoritettiin NCM-litium--ioniakulle, jonka nimelliskapasiteetti oli 66,2 A·h. Akku purkautui nopeudella 0,5 C eri purkaussyvyyksiin (DOD) (10 % → 100 %), mikä vastaa 90 % → 0 % lataustilaa (SOC). Jännite-, virta- ja kapasiteettitiedot tallennettiin purkausprosessin aikana. 60 minuutin levon jälkeen akkua ladattiin nopeudella 0,5 C (CC). Kun katkaisujännite saavutettiin, lataustila vaihtui vakiojännitteeseen (CV). Kun virta oli alle 0,05 C, prosessi pysäytettiin ja jännite-, virta- ja kapasiteettitiedot tallennettiin. Asiaankuuluvat tiedot on esitetty taulukossa 3-2. Litiumioniakun latausvirtakäyrät eri syvyyksissä purkausolosuhteissa on esitetty kuvassa 3-13.

SOC	DOD	Purkaus	Lataa	Equal-Capacity Charged Energy①/W·h	Equal{0}}Capacity Purettu energia②/W·h	Latausaika/min	Vakio CurrentTime/min	VakiovirtaLadattu kapasiteetti/A·h	Keskimääräinen latausajastinyksikön kapasiteetti③/min
		Kapasiteetti/A·h	Energia/W·h	Kapasiteetti/A·h	Energia/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 Equal-Capacity Charged Energy: Saman SOC-muutoksen alaisena ladattu energia (esim. 10 %). Esimerkki: jos latauskapasiteetti 90 %:n DOD:lla on 30W·h, saman-kapasiteetin ladattu energia on 30W·h; jos latauskapasiteetti 80 %:n DOD:lla on 50 W·h, vastaava -kapasiteetin latausenergia on 25 W·h.

② Equal{0}}Capacity Discharged Energy: Saman SOC-muutoksen alaisena purettu energia (esim. 10 %).

③ Keskimääräinen latausaika yksikkökapasiteettia kohti /min: Latausaika / Latauskapasiteetti.

Figure 3-13 Charging curves of lithium-ion batteries under different depths of discharge conditions

Taulukosta 3-2 ja kuvasta 3-13 voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:

1) Purkaussyvyyden kasvaessa latausaika pitenee, mutta keskimääräinen latausaika kapasiteettiyksikköä kohti laskee, mikä tarkoittaa, että latausajan pidentyminen ei ole verrannollinen purkaussyvyyteen.

2) Purkaussyvyyden kasvaessa tasavirran latausajan osuus kokonaislatausaikaan kasvaa ja vakiovirran latauskapasiteetin osuus vaaditusta latauskapasiteetista kasvaa. Todellisuudessa nämä ominaisuudet johtuvat pääasiassa kahdesta tekijästä: ensinnäkin syvemmälle purkautuminen vaatii pidemmän ajan akun lataamiseen täyteen; toiseksi syvempi purkaussyvyys vastaa pienempää jännitealuetta, mikä johtaa siihen, että akkuun ladataan vähemmän energiaa samoissa virta- ja latausaikaolosuhteissa.

(3) Lämpötilan vaikutus latausominaisuuksiin Litium-ioni-akut ladattiin erilaisissa ympäristön lämpötiloissa. Esimerkkinä 66,2 A·h NCM-litium--ioni-akku, käytettiin vakiovirran ja jännitteen rajoittamismenetelmää. Latausparametrit tallennettiin latausvirtarajan ollessa 1,3 A ja 3,3 A, kuten taulukosta 3-3 näkyy. Samalla purkausvirralla akun jännite laskee jyrkästi, kuten kuvassa 3-13. Kuitenkin, koska jännite pysyy suhteellisen korkeana, purkausenergia on edelleen korkea. Purkamisen alkuvaiheessa akun sisäisen resistanssin kuluttama energia nostaa akun lämpötilaa, tehostaa litiumioniakun aktiivisten materiaalien aktiivisuutta ja nostaa akun jännitettä, mikä lisää vapautuvaa energiaa. Purkauksen keski- ja myöhemmissä vaiheissa akun jännite laskee ja aikayksikköä kohti vapautuva energia pienenee vastaavasti.

Samassa lämpötilassa ja samalla purkauspäätejännitteellä eri purkauspäätevirrat johtavat eroihin kapasiteetissa ja vapautuneessa energiassa. Yleensä normaaleissa lämpötilaolosuhteissa mitä pienempi virta, sitä suurempi kapasiteetti ja vapautuva energia. Kuten yllä mainitussa purkauskokeessa, 0,2C vapauttaa 3,2% enemmän kapasiteettia ja energiaa kuin 1C.

Figure 3-15 Discharge energy-discharge capacity curves at different temperatures