Lade- und Entladekurven der Batterie

Während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie ändert sich mit der sich ändernden Lade- und Entladetiefe auch die Spannung ständig. Wenn wir die Kapazität als horizontale Koordinate und die Spannung als vertikale Koordinate verwenden, erhalten wir eine einfache Lade- und Entladekurve, die viele Hinweise auf die elektrische Leistung der Batterie enthält. Diese Kurven, die mit den Batteriezellenparametern wie Zeit, Kapazität, SOC, Spannung usw., die beim Laden und Entladen beteiligt sind, als Koordinaten gezeichnet werden, werden Lade- und Entladekurven genannt. Hier sind einige gängige Lade- und Entladekurven.

Zeit-Strom/Spannungskurve

● Konstantstrom

Beim Laden und Entladen mit konstantem Strom ist der Strom konstant und gleichzeitig wird die Änderung der Batterieklemmenspannung erfasst, was häufig zur Erkennung der Entladeeigenschaften der Batterie verwendet wird. Während des Entladevorgangs bleibt der Entladestrom unverändert, die Batteriespannung nimmt ab und auch die Entladeleistung nimmt weiter ab. Die Beispielkurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

● Konstantstrom und Konstantspannung (Laden)

Im Vergleich zum Laden mit konstantem Strom weist das Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung am Ende des Ladevorgangs einen konstanten Spannungsvorgang auf. Am Ende des Ladevorgangs wird die Spannung konstant, wenn sie den Zielwert erreicht, während der Strom allmählich abnimmt. Wenn der Abschaltstrom erreicht ist, endet das Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung. Da die Batteriespannung nach Verlassen der Plateauphase stark schwankt, kann die Batterie bei fortgesetztem Laden mit konstantem Strom nicht den idealen vollen Ladezustand erreichen. Daher ist es notwendig, auf konstante Spannung umzuschalten und den Strom zu reduzieren, um sicherzustellen, dass die Batterie so weit wie möglich einen höheren Ladezustand erreicht. Die Beispielkurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

● Konstante Leistung

Der gesamte Lade- und Entladevorgang wird mit konstanter Leistung durchgeführt. Gemäß P=UI steigt die Spannung allmählich an und der Strom allmählich ab, während die Ladung mit konstanter Leistung geladen wird, und die Spannung allmählich abnimmt und der Strom allmählich ansteigt, während die Entladung mit konstanter Leistung erfolgt. Gemäß der herkömmlichen Lade- und Entlade-Abschaltspannung einer LFP-Batterie von 3,65–2,5 V kann der Entladeschlussstrom fast das 1,5-fache des Ladeschlussstroms erreichen. Die Beispielkurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

● Kontinuierlich, intermittierend, Puls

Bei konstantem Strom oder konstanter Leistung wird die Zeitfunktion verwendet, um eine kontinuierliche, intermittierende und gepulste Lade- und Entladesteuerung zu erreichen. Diese speziellen Lade- und Entladeregime werden häufig verwendet, um den Gleichstrom-Innenwiderstand der Batterie zu bewerten. Die Beispielkurve ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Kapazitäts-Spannungskurve

The horizontal axis of the capacity-voltage curve reflects the battery's charge and discharge capacity, state of charge and other information, while the vertical axis includes the battery's voltage platform, inflection point, polarization and other information. The figure below is a discharge curve of a lithium iron phosphate battery at different temperatures.

Rate curve

The current density affects the rate of electrochemical reaction, thus changing the performance parameters of the battery. When comparing batteries of different capacities, the same current is not applicable, so the rate is used to determine the relative current. For example, 0.1C is 0.3A for a 3Ah 18650 battery, and 28A for a 280Ah prismatic battery. Simply put, the specific current value represented by the rate is the rate multiplied by the battery capacity.

When marking the capacity of a battery, the charge and discharge current must be taken into account, because the capacity will be different at different rates. For example, to calibrate the capacity of a battery at different rates, you can set it to change step by step with the charge and discharge cycle rate, and then draw a rate curve with the discharge capacity as the vertical axis and the number of charge and discharge times as the horizontal axis.

dQ/dV curve

The name of the dQ/dV curve is its y-axis variable, that is, the rate of change of the volume per unit voltage interval. The horizontal axis of the dQ/dV curve is generally SOC, capacity or voltage, which reflects the change in the rate of change of capacity. The place where the rate of change is large is displayed as a characteristic peak on the curve, which generally corresponds to an electrochemical reaction process.

The dQ/dV curve can tell us where the voltage platform of the battery is, when the electrochemical reaction occurs, and how the reaction process changes with battery aging and other changes in state. Generally speaking, chemical reactions are rapid, so the data points on the curve require higher accuracy. Therefore, the output dQ/dV curve has certain requirements for the collection of raw data, otherwise it is impossible to make a curve with obvious peaks. When doing charge and discharge tests, you can set the voltage intervalΔV=10~50mV to collect data, or the time intervalΔt=10-50ms, and then screen the raw data with equal voltage differences.

The following figure shows the dQ/dV curve under different number of cycles.

Cycle Curve

We know that the life of a battery is divided into calendar life and cycle life. Calendar life is the time it takes for the battery capacity to lose to a certain extent under natural placement, while cycle life is the number of times the battery is continuously charged and discharged until its capacity decays to a certain extent. Cycle life is one of the important indicators for measuring battery life performance.

Die Zyklustestdaten von Lithium-Ionen-Batterien sind die Ansammlung einzelner Lade- und Entladedaten. Verschiedene einzelne Lade- und Entladedaten können extrahiert werden, um mehrere Kurven für verschiedene Analyseaspekte zu erstellen. Die einfachste Zykluslebensdauerkurve besteht aus der Anzahl der Zyklen als X-Achse und der Entladekapazität oder Kapazitätserhaltungsrate als Y-Achse, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Im Verlauf des Zyklus nimmt die Batteriekapazität weiter ab, und das Lade- und Entladesystem hat einen erheblichen Einfluss auf den Kapazitätsabfall der Batterie.

Sie können auch die Kapazitäts-Spannungs-Kurven von Ladung und Entladung zu verschiedenen Zeitpunkten vergleichen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Im Verlauf des Zyklus verschiebt sich die Startspannung beim Laden und Entladen, der Gleichstrom-Innenwiderstand der Batterie ändert sich und die Lade- und Entladekapazität nimmt allmählich ab.

Zusätzlich zu den beiden oben genannten Typen gibt es viele weitere Kurven mit der Anzahl der Zyklen als horizontale Achse und den von der Batteriezyklusdämpfung betroffenen Parametern als vertikale Achse, die bei der Analyse der Faktoren, die die Zykluslebensdauer der Batteriezelle beeinflussen, und bei der Vorhersage der Zykluslebensdauer eine Rolle spielen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, spiegelt sie den theoretischen Wert der Batteriezykluslebensdauer wider, der vom Coulomb-Wirkungsgrad beeinflusst wird. CE ist die Coulomb-Effizienz, Ck ist die Kapazitätserhaltungsrate und k ist die Anzahl der Zyklen.

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