Quali sono le caratteristiche di carica e scarica?

Quali sono le caratteristiche di carica e scarica?

Carica escaricocaratteristiche

Le batterie agli ioni di litio-utilizzano in genere un metodo di ricarica a due-fasi per garantire sicurezza, affidabilità ed efficienza di ricarica. Il primo stadio è a corrente costante con limitazione di tensione, mentre il secondo stadio è a tensione costante con limitazione di corrente. Il limite di tensione massimo per la ricarica di una batteria agli ioni di litio- varia a seconda del materiale del catodo. Le curve di base della tensione di carica/scarica di una batteria agli ioni di litio- sono mostrate nella Figura 3-11. Le curve in figura utilizzano una corrente di carica/scarica di C/3. Per le diverse batterie agli ioni di litio, le differenze principali sono duplici:

1) Il valore di corrente costante ottimale per il primo stadio varia a seconda del materiale del catodo e del processo di produzione della batteria. Generalmente viene utilizzato un intervallo di corrente compreso tra 0,2°C e 0,3°C. In caso di consumo energetico rapido, è possibile utilizzare velocità 1C, 2C o anche superiori.

2) Diverse batterie agli ioni di litio- presentano differenze significative nella durata della corrente costante e anche la percentuale di capacità che può essere caricata mediante corrente costante rispetto alla capacità totale varia considerevolmente. Dal punto di vista delle applicazioni pratiche nei veicoli elettrici, una durata di corrente costante più lunga si traduce in un tempo di ricarica totale più breve, il che è più vantaggioso per le applicazioni.

La tensione della batteria agli ioni di litio- è stabile e diminuisce lentamente nelle fasi iniziale e intermedia della scarica, ma diminuisce rapidamente nelle fasi successive, come mostrato nel segmento DE della Figura 3-11. Un controllo efficace è fondamentale durante questa fase per evitare uno scaricamento eccessivo e danni irreversibili alla batteria.

Fattori che influenzano le caratteristiche di carica

(1) Effetto dicorrente di caricasulle caratteristiche di ricarica Prendendo come esempio una determinata batteria agli ioni di litio NCM- con una capacità nominale di 242 A·h, nelle condizioni di SOC=0% e temperatura costante di 20 gradi, sono state utilizzate diverse velocità di ricarica per la ricarica. I risultati dei parametri sono mostrati nella Tabella 3-1 e la curva di carica è mostrata nella Figura 3-12.

Tabella 3-1 Parametri di ricarica per diverse velocità di ricarica

① CC, corrente costante; CV, tensione costante.

Come mostrato nella Tabella 3-1, il tempo di corrente costante diminuisce gradualmente con l'aumentare della corrente di carica e anche la capacità e l'energia che possono essere caricate con corrente costante diminuiscono gradualmente. Prendendo come standard la capacità di carica e scarica di 1/2 (ovvero, SOC=50%), il tempo di carica richiesto diminuisce con l'aumentare della corrente di carica; il tempo richiesto per 0,1°C è circa 5 volte quello per 0,5°C. In queste condizioni, la differenza di corrente per la ricarica continua è piccola, quindi il tempo di ricarica per gli ultimi 30 A·h non è significativamente diverso. Pertanto, entro la corrente di carica consentita dalla batteria, l'aumento della corrente di carica, pur riducendo la capacità e l'energia che possono essere caricate a corrente costante, aiuta a ridurre il tempo di carica complessivo. Nelle applicazioni pratiche del pacco batteria, è possibile utilizzare la corrente di carica massima consentita della batteria agli ioni di litio per la ricarica e, una volta raggiunto il limite di tensione, è possibile eseguire la ricarica a tensione costante. Ciò riduce il tempo di ricarica garantendo al tempo stesso la sicurezza della ricarica. Tuttavia, l'aumento della corrente di carica comporterà anche un aumento della perdita di energia a causa della resistenza interna della batteria. L'energia consumata nella resistenza interna viene calcolata secondo l'equazione (3-4).

Dove E è l'energia consumata dalla resistenza interna;

r è la resistenza interna della batteria;

t è la variabile del tempo di ricarica;

I è la corrente di carica;

t₁ e t₂ sono gli orari di inizio e fine della ricarica.

Test approfonditi hanno dimostrato che la resistenza interna delle batterie agli ioni di litio- cambia entro 0,4 mΩ durante la ricarica. Pertanto, l'equazione (3-4) mostra che il consumo di energia dovuto alla resistenza interna della batteria è essenzialmente correlato linearmente al tempo di ricarica, ma quadraticamente correlato alla corrente di carica. Durante la fase di carica a corrente costante, l'entità della corrente di carica è il fattore principale che influenza il consumo energetico della resistenza interna; una corrente di carica più elevata comporta un maggiore consumo di energia. Durante la fase di tensione costante e bassa corrente, il tempo di ricarica diventa il fattore principale che influenza il consumo energetico della resistenza interna; un tempo di ricarica più lungo comporta un maggiore consumo di energia. Considerando l'intero processo di carica, poiché la corrente di carica ha una relazione quadratica con il consumo energetico della resistenza interna ed è il principale fattore che la influenza, una corrente di carica più elevata si traduce in un maggiore consumo energetico della resistenza interna. Nelle applicazioni pratiche delle batterie, è necessario selezionare una corrente di carica adeguata considerando in modo globale sia il tempo di carica che l'efficienza.

(2) Effetto della profondità di scarica sulle caratteristiche di carica A una temperatura costante di 20 gradi, è stato condotto un test di scarica su una batteria agli ioni di litio NCM- con una capacità nominale di 66,2 Ah. La batteria è stata scaricata a una velocità di 0,5°C a diverse profondità di scarica (DOD) (10%→100%), corrispondenti a uno stato di carica (SOC) del 90%→0%. I dati di tensione, corrente e capacità sono stati registrati durante il processo di scarica. Dopo aver riposato per 60 minuti, la batteria è stata caricata a una velocità di 0,5°C (CC). Quando è stata raggiunta la tensione di interruzione, la modalità di ricarica è stata commutata su tensione costante (CV). Quando la corrente era inferiore a 0,05°C, il processo veniva interrotto e venivano registrati i dati di tensione, corrente e capacità. I dati rilevanti sono mostrati nella Tabella 3-2. Le curve della corrente di carica della batteria agli ioni di litio in condizioni di diversa profondità di scarica sono mostrate nella Figura 3-13.

Tabella 3-2 Parametri del test di carica a diverse profondità di scarica

① Energia caricata con pari-capacità: energia caricata con la stessa modifica del SOC (ad esempio, 10%). Ad esempio: se la capacità di ricarica al 90% DOD è 30 W·h, l'energia caricata con pari-capacità è 30 W·h; se la capacità di ricarica all'80% DOD è 50 Wh, l'energia caricata con pari-capacità è 25 Wh.

② Energia scaricata con pari-capacità: energia scaricata con la stessa modifica del SOC (ad esempio, 10%).

③ Tempo di ricarica medio per capacità unitaria/min: Tempo di ricarica/Capacità di ricarica.

Dalla Tabella 3-2 e dalla Figura 3-13 si possono trarre le seguenti conclusioni:

1) All'aumentare della profondità di scarica, il tempo di ricarica aumenta, ma il tempo di ricarica medio per unità di capacità diminuisce, il che significa che l'aumento del tempo di ricarica non è proporzionale alla profondità di scarica.

2) Con l'aumentare della profondità di scarica, aumenta la proporzione tra il tempo di ricarica a corrente costante e il tempo di ricarica totale e aumenta la proporzione tra la capacità di ricarica a corrente costante e la capacità di ricarica richiesta. In realtà queste caratteristiche sono causate principalmente da due fattori: primo, una maggiore profondità di scarica richiede un tempo maggiore per caricare completamente la batteria; in secondo luogo, una profondità di scarica più profonda corrisponde a un intervallo di tensione inferiore, con conseguente minore energia caricata nella batteria alle stesse condizioni di corrente e tempo di ricarica.

(3) Influenza della temperatura sulle caratteristiche di ricarica Le batterie agli ioni di litio- sono state caricate a temperature ambiente diverse. Prendendo come esempio una batteria agli ioni di litio- NCM da 66,2 A·h, è stato utilizzato un metodo di limitazione di corrente e tensione costanti. I parametri di carica sono stati registrati con il limite della corrente di carica pari a 1,3 A e 3,3 A, come mostrato nella Tabella 3-3. Con la stessa corrente di scarica, la tensione della batteria subirà un brusco calo, come mostrato nella Figura 3-13. Tuttavia, poiché la tensione rimane relativamente elevata, l'energia di scarica è ancora elevata. Nella fase iniziale di scarica, l'energia consumata dalla resistenza interna della batteria aumenta la temperatura della batteria, migliora l'attività dei materiali attivi della batteria agli ioni di litio e aumenta la tensione della batteria, aumentando così l'energia che può essere rilasciata. Nelle fasi intermedie e successive della scarica, la tensione della batteria diminuisce e l'energia rilasciata per unità di tempo diminuisce di conseguenza.

Alla stessa temperatura e con la stessa tensione di terminazione di scarica, diverse correnti di terminazione di scarica comporteranno differenze nella capacità e nell'energia rilasciata. Generalmente, in condizioni di temperatura normali, minore è la corrente, maggiore è la capacità e l'energia rilasciata. Come nell'esperimento di scarica menzionato sopra, 0,2°C rilascia il 3,2% in più di capacità ed energia rispetto a 1°C.