• Тестване на акумулатора

• Функционални характеристики

Функционални характеристики

Функционални характеристики
Този раздел описва основните параметри, които се използват за да се охарактеризира функционалността на една клетка. Оценка на тези характеристики е съществена при избора на оптимална акумулаторна батерия за едно приложение.
Криви на разреждане
Енергийните клетки трябва да бъдат разработвани за широк обхват приложения, като се използват множество различни технологии, водещи до широк обхват от налични функционални характеристики. Графиките по-долу показват някои основни фактори, които механикът на приложението трябва да вземе под внимание, когато определя една акумулаторна батерия да съответства на функционалните изисквания на крайния продукт.
Химия на клетката
Номиналното напрежение на една галванична клетка е фиксирано от електро-химичните характеристики на активните химически елементи, използвани в клетката, така наречената клетъчна химия. Действителното напрежение, което се появява на клемите на определено време, както при всяка друга клетка, зависи от тока на товара и вътрешния импеданс на клетката и се променя с температурата, състоянието на заряда и възрастта на клетката.
Графиката по-долу показва типични криви на разряд-заряд за клетки, използващи обхват на клетъчна химия при разреждане в режим 0.2C. Обърнете внимание, че всяка клетъчна химия има свое собствено характеристично номинално напрежение и крива на разреждане. Някои клетъчни химии, като литиев йон, имат доста плоска крива на разреждане, докато други, като оловна киселина, имат стръмна характеристика. Мощността, която се доставя от клетки със стръмна крива на разреждане, пада прогресивно по време на цикъла на разреждане. Това може да доведе до възникване на проблеми към края на цикъла за приложения с голяма мощност. За приложения с малка мощност, които се нуждаят от стабилно захранващо напрежение, може да бъде необходимо да се вгради един регулатор на напрежение, ако кривата е твърде стръмна. Това обикновено не е опция за приложения с голяма мощност, тъй като загубите в регулатора ще отнемат повече мощност от батерията. Една плоска крива на разряд опростява дизайна на приложението, в което се използва батерията, тъй като захранващото напрежение остава значително постоянно по време на цикъла на разреждане. Една стръмна крива улеснява изчисляването на Състоянието на заряда на батерията, тъй като напрежението на клетката може да бъде използвано като мярка за останалия в клетката заряд. Съвременните клетки от литиеви йони имат много плоска характеристика на разреждане и трябва да се използват други методи, за да се определи State of Charge/Състоянието на заряда/.

Оста X показва характеристиките на клетката, нормализирани като процент на капацитета на клетката, така че формата на графиката може да бъде показана независимо от действителния капацитет на клетката. Ако оста X беше базирана на времето на разреждане, дължината на всяка крива на разреждане щеше да бъде пропорционална на номиналния капацитет на клетката.
Температурни характеристики
Функционалността на клетката може силно да се промени при промяна на температурата. В долния екстремум електролита може да замръзне, поставяйки по-ниска граница за работната температура, докато в горния екстремум активните химически елементи може да паднат толкова ниско, че да разрушат батерията. Между тези граници функционалността на клетката като цяло се подобрява с температурата. Вижте също Thermal Management/Управление на термичните процеси/ и Battery Life/Живот на батерията/ за повече подробности. 

Горната графика показва как функционалността на батерии с литиеви йони се влошава с намаляването на работната температура.
Характеристики на саморазреждане
Скоростта на саморазреждане е мярка, която показва колко бързо една клетка ще загуби своята енергия, докато седи на рафта, поради нежелателни химически реакции вътре в клетката. Скоростта зависи от химията на клетката и температурата.
Химия на клетката
По-долу е показан типичния живот на рафта за някои първични клетки:
Цинк Въглерод (Leclanché) 2 до 3 години
Алкални 5 години
Литий 10 години или повече
Типични режими на саморазреждане за обикновени повторно зареждащи се клетки са следните:
Оловна киселина 4% до 6% на месец
Никел-кадмиеви 15% до 20% на месец
Никел – метален хидрид 30% на месец
Литий 2% до 3% на месец
Температурни ефекти
Скоростта на нежелателни химически реакции, които причиняват вътрешно изтичане на ток между положителния и отрицателен електрод на клетката, както при всички химечески реакции, се повишава с температурата, увеличавайки скоростта на саморазреждане на батерията. Вижте също Battery Life/Живот на батерията/. Графиката по-долу показва типични режими на саморазреждане за батерия с литиеви йони. 

Вътрешен импеданс
Вътрешният импеданс на една клетка определя нейната способност да пренася ток. Малко вътрешно съпротивление позволява пренасянето на по-големи токове.
Еквивалентна верига на батерията
Диаграмата в дясно показва еквивалентната верига на една енергийна клетка. 


Rm е съпротивлението на металната пътека през клетката, включващо клемите, електродите и вътрешните свързвания.
Ra е съпротивлението на електрохимичната пътека, включваща електролита и сепаратора.
Cb е капацитета на успоредните плочи, които оформят електродите на клетката.
Ri е нелинейното контактно съпротивление между плочата или електрода и електролита.
Типичното вътрешно съпротивление е от порядъка ма милиомове.
Ефекти на вътрешен импеданс
Когато през клетката тече ток, има IR пад на напрежение през вътрешното съпротивление на клетката, който намаля напрежението на клемите на клетката по време на разреждане и увеличава напрежението, необходимо за зареждане на клетката, намалявайки по този начин нейния ефективен капацитет, както и намаля нейната ефективност на зареждане/разреждане. По-високите скорости на разреждане водят до повишаване на падовете на напрежение, което обяснява кривите на разреждане с по-ниско напрежение при високи С скорости. Вижте "Discharge Rates/Режими на разреждане/" по-долу.
Вътрешният импеданс се влияе от физическите характеристики на електролита, колкото по-малък е размерът на частиците на електролитния материал, толкова по-нисък е импеданса. Размерът на частиците се управлява от производителя на клетката в производствения процес. Спирална конструкция на електродите често се използва, за да се максимизира повърхностната площ и по този начин да се намали вътрешния импеданс. Това намаля генерирането на топлина и позволява по-бързи режими на зареждане и разреждане.
Вътрешното съпротивление на една галванична клетка зависи от температурата, като се намаля при покачване на температурата поради повишаване подвижността на електроните. Графиката по-долу е типичен пример. 

Така клетката може да не бъде много ефективна при ниска температура, но ефективността се подобрява при по-високи температури поради по-ниския вътрешен импеданс, но също и поради повишената скорост на химическите реакции. Обаче, по-ниското вътрешно съпротивление за нещастие също води до увеличаване на скоростта на саморазреждане. Освен това цикълът на живот се влошава при високи температури. Някои начини на загряване и охлаждане може да изискват да се поддържа клетката в един ограничен обхват на температура, за да се постигне оптимална функционалност при приложения с по-голяма мощност.
Вътрешното съпротивление на повечето клетъчни химии също може да се повиши значително към края на цикъла на разреждане, тъй като активните химически елементи се преобразуват в състоянието си на разреждане и следователно са ефективно използвани. Това принципно отговаря на бързия спад в напрежението на клетката в края на цикъла на разреждане. В допълнение ефекта на Джаулова топлина на загубите I2R във вътрешното съпротивление на клетката ще причини повишаване на температурата на клетката. Спада на напрежение и загубите I2R може да бъдат незначителни за една 1000 mAh клетка, захранваща мобилен телефон, но за една клетка 100 - 200 Ah на акумулатор за автомобил, те може да бъдат значителни. Типично вътрешно съпротивление за една 1000mA литиева батерия за мобилен телефон е около 100 до 200mOhm и около 1mOhm за 200Ah литиева клетка, използвана в автомобилен акумулатор. При работа на режим C пада на напрежение на клетката ще бъде около 0.2 волта в двата случая, (малко по-малко за мобилни телефони). Загубите I2R в мобилния телефон ще бъдат между 0.1 и 0.2 вата. В автомобилния акумулатор, обаче, пада на напрежение през целия акумулатор ще бъде 20 волта, а загубите на мощност I2R, разсеяни като топлина в акумулатора ще бъдат 40 вата на клетка или 4KW за целия акумулатор. Това е в допълнение към топлината, генерирана от електрохимичните реакции в клетките. Със стареенето на една клетка, съпротивлението на електролита също се увеличава. Стареенето също води до влошаване на повърхността на електродите и контактното съпротивление и в същото време ефективната площ на плочите намалява своя капацитет. Всички тези ефекти намаляват вътрешния импеданс на клетката, което оказва неблагоприятно влияние върху нейната функционалност. Сравняването на действителния импеданс на една клетка с импеданса й, когато е нова, може да се използва, за да се даде мярка и представа за възрастта на клетката или за нейния ефективен капацитет. Такива измервания са много по-удобни от действителното разреждане на клетката и могат да се правят без да се разрушава клетката. Вижте "Impedance and Conductance Testing/Изпитване на импеданс и проводимост/"
Вътрешното съпротивление също оказва влияние на ефективния капацитет на една клетка. Колкото по-високо е вътрешното съпротивление, толкова по-големи са загубите при зареждане и разреждане, особено при по-високи токове. Това означава, че при по-високи скорости на разреждане, наличния капацитет на клетката е по-нисък. Обратно, ако се разрежда за по-продължителен период, капацитетът AmpHour/амперчас/ е по-висок. Това е важно, защото някои производители определят капацитета на своите батерии при много ниски скорости на разреждане, което ги прави да изглеждат доста по-добри, отколкото са в действителност.
Режими/скорости/ на разреждане
Кривите на разреждане на една батерия от литиеви йони показват, че ефективния капацитет на клетката се намаля, ако клетката се разрежда с много бързи скорости (или обратно, се увеличава при ниски скорости на разреждане). Това се нарича статично отклонение на капацитета и ефектът е общ за повечето клетъчни химии. 

Ако разреждането се извършва за дълъг период от няколко часа, както при някои високоскоростни приложения, като електрически превозни средства, ефективния капацитет на акумулатора може да бъде равен на два пъти определения при режим С капацитет. Това може да бъде особено важно, когато се оразмерява един скъп акумулатор за ползване с голяма мощност. Капацитетът за малка мощност, батерии за електронен консуматор нормално се определят за разреждане при режим С, докато SAE използва разреждане за период от 20 часа (0.05С) както при стандартни условия за измерване на капацитет амперчас на автомобилни акумулатори. Графиката по-долу показва, че ефективният капацитет един дълбоко разреден акумулатор от оловна киселина почти се удвоява, когато скоростта на разреждане се намаля от 1.0С до 0.05С. За времена на разреждане по-малки от един час (високи С скорости), ефективния капацитет пада драматично.
Ефективността на зареждане се повлиява по подобен начин от скоростта на зареждане. Обяснение за причините за това са дадени в раздела Charging Times/Времена на зареждане/ . 

Могат да се направят два извода от тази графика:
Да се обърне внимание, когато се сравняват техническите данни за капацитета на акумулатора, дали са сравними използваните режими на разреждане.
При използване в автомобил, ако се използват редовно режими с голям ток за голямо ускорение или за изкачване по стръмни места, обхватът на превозното средство ще бъде намален.
Забележки: за информация
Една типична малка електрическа кола ще използва между 150 и 250 ватчаса енергия на миля при нормално шофиране. Така за 100 изминати мили при 200 ватчаса на миля, ще бъде необходим капацитет на батерията от 20 KWh.
Хибридно електрическо превозно средство използва по-малки батерии, но може да бъде необходимо те да работят при много големи скорости на разреждане до 40C. Ако превозното средство използва спиране в генераторен режим, акумулаторът трябва да приеме много високи скорости на зареждане, за да бъде ефективен. Вижте раздела за Кондензатори за пример как това изискване може да бъде изпълнено.
Уравнение на Peukert
Уравнението на Peukert е удобен начин да се характеризира поведението на клетката и да се даде количествена оценка на отклонението на капацитета в математическо изражение. Това е емпирична формула, която показва приблизително как се променя наличния капацитет на една батерия според скоростта на разреждане. C = I n T където "C" е теоретичния капацитет на батерията, изразен в амперчаса, "I" е тока, "T" е времето, "n" е числото на Peukert, което е константа за дадена батерия. Уравнението показва, че при по-високи токове, в батерията има по-малко енергия. Числото на Peukert е директно свързано с вътрешното съпротивление на батерията. По-големите токове означават по-големи загуби и по-малък наличен капацитет. Стойността на числото на Peukert показва колко добре функционира един акумулатор при продължителни силни токове. Стойност близка до 1 показва, че батерията функционира добре; колкото е по-голямо числото, толкова повече капацитет се губи, когато батерията се разрежда при силни токове. Числото на Peukert за една батерия се определя емпирично. За батерии с оловна киселина числото обикновено е между 1.3 и 1.4. 

Графиката по-горе показва, че ефективният капацитет на батерията се редуцира при много високи постоянни скорости на разреждане. Обаче, при използване с прекъсване, батерията има време да се възстанови по време на спокойните периоди, когато температурата също ще се върне към нивото на околната среда. Поради тази възможност да се възстановява, намаляването на капацитета е по-малко и ефективността на работа е по-голяма, ако батерията се използва с прекъсване, както е показано с пунктираната линия. Това е обратно на поведението на един двигател с вътрешно горене, който работи най-ефективно с постоянни стабилни товари. В това отношение електрическата енергия е по-добро решение за превозни средства за доставки, които са подложени на постоянни прекъсвания.
Пулс Ефективност
Способността да се доставят висока текущата импулси е изискване на много батерии. Сегашната абсорбционния капацитет на клетките зависи от ефективната повърхност на електродите. (Виж енергия / мощност ). Сегашният срок се определя от скоростта на химическите реакции, които се появят в рамките на клетката. В химическата реакция или " прехвърляне при зареждане" се провежда върху повърхността на електродите и първоначалния курс може да бъде твърде висок, както химикалите в близост до електродите са трансформирани. Същият принцип се отнася до процес на зареждане и се обяснява по-подробно в раздела време за зареждане .
Цикъл Живот
Това е един от ключовите параметри които дават указания за живота и работата на клетките. 


В цикъла на живот се определя като броят на циклите които клетка може да изпълни, преди да му падне капацитета на 80% от първоначалния определен капацитет. Имайте предвид, че клетката не умира внезапно, но продължава бавно влошаване, което ще бъде почти незабележимо за потребителя. В края на определен цикъл на живот на клетката, ще продължи да функционира нормално, въпреки, че капацитет му ще бъде значително по-малко, отколкото когато е бил нов. В цикъла на живот, както е определено е полезен начин за сравняване на батериите при контролирани условия, въпреки това тя не може да даде най-добрите данни за живота на батерията при реалните условия на работа. Вижте как цикъл на живот с различна дълбочина на разряд в живота на батерията
Един по-представителна мярка за живота на батерията е енергийна производителност през живота . Това е общата сума на енергията в Watthours, които могат да бъдат извадени на батерията над всички цикли в живота му, преди капацитет му да намалее до 80% от своя първоначален капацитет, когато е била нова. За съжаление тази мярка все още не е в обща употреба от производителите на клетки и още не е приета като стандарт в производителите на батерии. Докато тя не влезе в обща употреба то няма да бъде възможно да го използвате, за да се сравни ефективността на клетките от различни производители.
Разреждане
Цикъл живот намалява с по-голяма дълбочина на разреждане (DOD) (Виж живот на батерията) и много клетъчни chemistries няма да толерира дълбоко разреждане и клетките могат да бъдат трайно повредени при напълно разреждане. Чрез специални клетъчни конструкции и химически смеси, се увеличичава максимално потенциала на по-голяма дълбочина на разрежданеDOD и цикли на батериите.

Автора на статията е Woodbank Communications Ltd - консултантска фирма, осигуряваща обучение за батерии и системи за управление на батерии за електрически транспортни средства, както и за приложения със съхранение на енергия с голям капацитет.