Podstawy wydajności baterii: podstawowe parametry i ich wzajemne oddziaływanie

Pojemność baterii (mAh): miara mocy baterii

1. Definicja i istota

Pojemność baterii wyraża się w miliamperogodzinach (mAh), co jest iloczynem prądu (w miliamperach, mA) i czasu (w godzinach, h). Na przykład bateria o pojemności 1000 mAh oznacza:

Rozładowanie prądem 1000 mA (1 A) potrwa 1 godzinę;

Rozładowanie prądem 500 mA potrwa 2 godziny.

Istotnie: mAh mierzy całkowitą ilość ładunku, jaką bateria może przechować, bez odniesienia do napięcia, podobnie jak „pojemność wodna” wiadra.

2. Powszechny błąd: Wysokie mAh ≠ Dłuższy czas pracy baterii

Błędne przekonanie: Myślenie, że bateria o pojemności 5000 mAh z pewnością będzie działać dłużej niż bateria o pojemności 3000 mAh.

Prawda: Czas pracy baterii zależy od energii (Wh), a nie tylko od pojemności.

 

Gęstość energii (Wh/kg): podstawowy wskaźnik przenośności

1. Definicja i znaczenie

Gęstość energii odnosi się do ilości energii przechowywanej w jednostce masy baterii (Wh/kg) i jest kluczowym parametrem służącym do oceny „zdolności do chudnięcia” baterii:

Gęstość objętościowa energii (Wh/L): wpływa na grubość urządzenia (np. baterii do telefonów komórkowych);

Gęstość masowa energii (Wh/kg): decyduje o lekkich właściwościach urządzeń (np. zasięgu pojazdów elektrycznych).

2. Porównanie gęstości energii w różnych technologiach.

Typ baterii	Gęstość masowa energii (Wh/kg)	Typowe zastosowania
Bateria kwasowo-ołowiowa	50-70	Bateria rozruchowa pojazdu elektrycznego
Bateria litowo-zelazo-fosforowa	140-200	Elektrownie magazynujące energię, pojazdy komercyjne
Bateria litowo-ternarna	250-350	Pojazdy elektryczne, wysokiej klasy telefony komórkowe
Bateria litowa stałego stanu	350-500(w trakcie rozwoju)	Pojazdy elektryczne i drony nowej generacji

3. Dwoista natura gęstości energii

Zalety: Gdy gęstość energii baterii litowo-jonowych osiągnie 300Wh/kg, zasięg pojazdów elektrycznych może przekroczyć 600 km;

Wyzwanie: Za każdy 10% wzrost gęstości energii, ryzyko termicznego rozbiegu rośnie o 15%, co wymaga bardziej złożonego systemu kontroli temperatury.

 

Krzywe ładowania i rozładowania: "elektrokardiogram" wydajności baterii

1. Kod elektrochemiczny stojący za krzywą

Krzywa ładowania i rozładowania odzwierciedla prawo zmiany napięcia akumulatora w zależności od mocy, z typowymi cechami:

Etapy ładowania:

Ładowanie prądem stałym (napięcie szybko rośnie);

Ładowanie napięciem stałym (prąd stopniowo maleje, napięcie stabilizuje się).

Etapy rozładowania:

Napięcie najpierw szybko spada, następnie wchodzi w stabilny okres plateau i na końcu gwałtownie obniża się do napięcia odcięcia.

 

2. Analiza kluczowych parametrów

Poziom napięcia: Zakres, w którym napięcie pozostaje stabilne podczas rozładowania. Im wyższy i dłuższy poziom plateau, tym lepsza wydajność akumulatora.

Na przykład: poziom rozładowania akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego wynosi 3,2 V, a akumulatora litowo-trójskładnikowego 3,7 V, ten drugi ma wyższą energię.

Zjawisko polaryzacji: Napięcie spada szybciej podczas rozładowania dużym prądem (np. podczas rozładowania 10C napięcie spada o 0,5 V więcej niż podczas rozładowania 1C) z powodu wzrostu strat oporu wewnętrznego.

3. Związek między krzywą a scenariuszami użycia

Przyspieszenie pojazdu elektrycznego: wymaga rozładowania prądem wysokim (5-10C) oraz niskiej stromości krzywej platformy (małe wahania napięcia);

Magazynowanie energii i regulacja szczytu: długotrwałe rozładowanie prądem małym (poniżej 0,5C), ważniejsza jest stabilność platformy.

 

Cykl życia: Licznik odporności baterii

1. Definicja i standardy

Cykl życia odnosi się do liczby pełnych cykli od całkowitego naładowania do wyczerpania (DOD=100%) i z powrotem do pełnego naładowania, aż do spadku pojemności do 80% wartości znamionowej.

Typowe dane:

Bateria litowo-ternarna: 1000 cykli (DOD=100%);

Bateria litowo-żelazowo-fosforanowa: 3000 cykli (DOD=100%);

Bateria kwasowo-ołowiowa: 500 cykli (DOD=80%).

2. Cztery "zabójcy" wpływające na cykl życia

Przeciążenie i nadmierne rozładowanie: ładowanie powyżej 4,3 V lub rozładowanie poniżej 2,5 V spowoduje trwałe uszkodzenie struktury elektrod;

Wysoka temperatura otoczenia: przechowywanie w temperaturze 60°C przez 1 miesiąc skraca cykl życia o 50%;

Ładowanie i rozładowywanie dużym prądem: szybkie ładowanie 10C zmniejsza liczbę cykli o 30% w porównaniu do ładowania 0,5C;

Długotrwałe przechowywanie w stanie pełnego naładowania: Gdy akumulator litowy jest przechowywany w stanie pełnego naładowania przez 1 miesiąc, pojemność zmniejsza się o 5%.

3. Złota zasada przedłużania żywotności

Płytkie ładowanie i rozładowywanie: Utrzymanie SOC w zakresie od 20% do 80% w codziennym użytku (np. ładowanie telefonu przy 20% pojemności baterii).

Unikanie wysokich temperatur: Unikaj bezpośredniego nasłonecznienia podczas ładowania pojazdu elektrycznego. Gdy temperatura wewnątrz pojazdu w lecie przekroczy 60°C, żywotność baterii szybko się obniży.

Regularne głębokie ładowanie i rozładowywanie: Wykonaj pełne naładowanie i całkowite rozładowanie co 3 miesiące i wykalibruj wyświetlacz mocy BMS.

 

Efekt łańcuchowy parametrów rdzeniowych

1. Kompromiss pomiędzy gęstością energii a żywotnością cyklu

Baterie litowe ternaryjne mają wysoką gęstość energii, ale krótki okres cyklu, co sprawia, że nadają się do pojazdów elektrycznych, które wymagają dłuższego zasięgu jazdy.

Akumulatory fosforanowe żelazo-litiowe mają długi okres cyklu, ale niską gęstość energii, co czyni je bardziej odpowiednimi do elektrowni magazynowych energii (które wymagają częstego ładowania i rozładowywania).

2. Wykorzystanie Wzajemne oddziaływanie między pojemnością a krzywymi ładowania/wyładowania

Baterie o dużej pojemności (np. 5000 mAh) mają zwykle większy opór wewnętrzny, a platformy napięcia znacznie spadają podczas wysokiego rozładowania prądu;

Przy tej samej pojemności baterie o wyższej platformie napięcia (takiej jak 3,7 V vs 3,2 V) mają większą energię, ale mogą być towarzyszyć większym stratom polaryzacji.