Základy výkonu batérie: Základné parametre a ich vzájomné pôsobenie

Kapacita batérie (mAh): miera výkonu batérie

1. Definícia a podstata

Kapacita batérie sa udáva v miliamperohodinách (mAh), čo je súčin prúdu (v miliamperoch, mA) a času (v hodinách, h). Napríklad batéria s kapacitou 1000 mAh znamená:

Vybijanie pri 1000 mA (1 A) vydrží 1 hodinu;

Vybijanie pri 500 mA vydrží 2 hodiny.

Podstata veci: mAh meria celkové množstvo náboja, ktorý batéria dokáže uložiť, bez ohľadu na napätie, podobne ako „objem vody“ v kanve.

2. Bežná mýtosť: Vysoká hodnota mAh ≠ dlhá výdrž batérie

Mýtosť: Myslieť si, že batéria s kapacitou 5000 mAh bude určite vydržať dlhšie ako batéria s kapacitou 3000 mAh.

Pravda: Výdrž batérie určuje energia (Wh), nie len kapacita.

 

Hustota energie (Wh/kg): kľúčový ukazovateľ prenosnosti

1. Definícia a význam

Hustota energie sa vzťahuje na množstvo energie uloženej na jednotku hmotnosti batérie (Wh/kg) a je kľúčovým parametrom na meranie „schudnutia“ batérie:

Objemová hustota energie (Wh/l): ovplyvňuje hrúbku zariadenia (napr. batérie mobilných telefónov);

Hmotnostná hustota energie (Wh/kg): určuje zníženie hmotnosti zariadení (napr. dojazd elektromobilov).

2. Porovnanie hustoty energie medzi rôznymi technologickými cestami.

Typ batérie	Hmotnostná hustota energie (Wh/kg)	Typické aplikácie
Olovená batéria	50-70	Štartovacia batéria elektromobilu
Lítium-železofosfátová batéria	140-200	Elektrorámy na ukladanie energie, komerčné vozidlá
Ternárna lítiová batéria	250-350	Elektromobily, luxusné mobilné telefóny
Tuhý lítiový akumulátor	350-500 (vo vývoji)	Elektromobily novej generácie a drony

3. Dvojhŕb energie hustoty

Výhody: Ak dosiahne hustota energie trojzložkových lítiových batérií 300 Wh/kg, dojazd elektromobilov môže presiahnuť 600 km;

Výzva: S každým 10-% nárastom hustoty energie sa riziko tepelného úniku zvýši o 15 %, čo si vyžaduje zložitejší systém riadenia teploty.

 

Nabíjacie a vybíjacie krivky: „elektrokardiogram“ výkonu batérie

1. Elektrochemický kód za krivkou

Krivka nabíjania a vybíjania odráža zákonitosť zmeny napätia batérie v závislosti od výkonu, s typickými vlastnosťami:

Fáza nabíjania:

Nabíjanie pri konštantnom prúde (napätie rýchlo stúpa);

Nabíjanie pri konštantnom napätí (prúd postupne klesá, napätie dosahuje vrchol).

Fáza vybíjania:

Napätie najskôr rýchlo klesá, potom sa dostáva do stabilnej fázy s približne rovnakým napätím a nakoniec prudko klesá na vypínacie napätie.

 

2. Analýza kľúčových parametrov

Napäťová úroveň: Rozsah, v ktorom sa napätie počas vybíjania udržiava stabilné. Čím vyššia a dlhšia je táto úroveň, tým lepšie je výkon batérie.

Príklad: vybíjacia úroveň fosforečnanovej železnej batérie je 3,2 V a vybíjacia úroveň batérie z trojzložkového lítia je 3,7 V, posledne menovaná má vyššiu energetickú hodnotu.

Jav polarizácie: Pri vybíjaní vysokým prúdom napätie klesá rýchlejšie (napr. pri vybíjaní 10C klesne napätie o 0,5 V viac ako pri vybíjaní 1C) v dôsledku zvýšených strát vnútorného odporu.

3. Vzťah medzi krivkou a scenármi použitia

Zrýchlenie elektromobilu: vyžaduje vysokejšie vybíjanie prúdu (5-10C), a vyžaduje nízku strmosť platformy (malá fluktuácia napätia);

Ukladanie energie a regulácia špičky: dlhodobé vybíjanie malým prúdom (pod 0,5C), stabilita platformy je dôležitejšia.

 

Životnosť v cykloch: Časovač pre trvanlivosť batérie

1. Definícia a štandardy

Životnosť v cykloch sa vzťahuje na počet úplných cyklov od úplného nabitia po vybitie (DOD=100%) a následne opätovné nabitie, kým kapacita neklesne na 80 % menovitej hodnoty.

Typické údaje:

Batéria s trojčlánkovou lítiovou technológiou: 1000 cyklov (DOD=100%);

Lítium-železo-fosfátová batéria: 3000 cyklov (DOD=100%);

Olovená batéria: 500 cyklov (DOD=80%).

2. Štyria „zabíjači“ ovplyvňujúci životnosť v cykloch

Prebitie a prebíjanie: nabíjanie nad 4,3 V alebo vybíjanie pod 2,5 V spôsobí trvalé poškodenie elektródovej štruktúry;

Vysoká teplota prostredia: uchovávanie pri 60 °C po dobu 1 mesiaca skráti životnosť cyklu o 50 %;

Nabíjanie a vybíjanie vysokým prúdom: rýchlonabíjanie 10C znižuje počet cyklov o 30 % v porovnaní s rýchlonabíjaním 0,5C;

Dlhodobé uchovávanie pri plnom nabití: Keď sa lítiová batéria uchováva pri plnom nabití po dobu 1 mesiaca, kapacita klesne o 5 %.

3. Zlaté pravidlo na predĺženie životnosti

Merné nabíjanie a vybíjanie: Pri každodennom používaní udržiavajte SOC medzi 20 % a 80 % (napr. nabíjajte telefón, keď je batéria na 20 %).

Vyhýbajte sa vysokým teplotám: Pri nabíjaní elektromobilu sa vyhýbajte priamemu slnečnému žiareniu. Ak teplota vo vnútri vozidla v lete presiahne 60 °C, životnosť batérie sa rýchlo znižuje.

Pravidelné hlboké nabíjanie a vybíjanie: Každé 3 mesiace vykonajte úplné nabíjanie až po vybíjanie a zkalibrujte zobrazenie výkonu BMS.

 

„Efekt spätnoväzobného prepojenia“ kľúčových parametrov

1. Kompromis medzi energetickou hustotou a životnosťou

Ternárne lítium-iontové batérie majú vysokú energetickú hustotu, ale krátku životnosť, čo ich činí vhodnými pre elektromobily, ktoré vyžadujú dlhší dojazd.

Lítiumovo-železno-fosfátové batérie majú dlhú životnosť, ale nízku energetickú hustotu, čo ich činí vhodnejšími pre akumulačné elektrárne (ktoré vyžadujú časté nabíjanie a vybíjanie).

2. Vzájomná súvislosť medzi kapacitou a krivkami nabíjania/vybíjania

Batérie s vysokou kapacitou (napr. 5000 mAh) zvyčajne majú väčší vnútorný odpor a napätová úroveň sa počas vybíjania pri vyššom prúde viac zníži;

Pri rovnakej kapacite majú batérie s vyššou napätovou úrovňou (napr. 3,7 V oproti 3,2 V) vyššiu energiu, no môže byť sprevádzaná vyššími stratami polarizácie.