ทฤษฎีการประจุและการคายประจุของลิเธียม & การออกแบบวิธีการคำนวณไฟฟ้า (1)

1. บทนำเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1.1 สถานะการเรียกเก็บเงิน (SOC)

สถานะการชาร์จสามารถกำหนดได้ว่าเป็นสถานะของพลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่ในแบตเตอรี่ ซึ่งมักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่จะแปรผันตามกระแสการชาร์จและการคายประจุ อุณหภูมิ และปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพ คำจำกัดความของสถานะของประจุยังแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ Absolute State-Of-Charge (ASOC) และ Relative State-Of-Charge (RSOC) .

โดยทั่วไป ช่วงของสถานะการชาร์จสัมพัทธ์คือ 0% – 100% ขณะที่แบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้วจะเป็น 100% และ 0% เมื่อแบตเตอรี่หมดสถานะการชาร์จแบบสัมบูรณ์คือค่าอ้างอิงที่คำนวณตามค่าความจุคงที่ที่ออกแบบไว้เมื่อผลิตแบตเตอรี่สถานะการชาร์จที่สมบูรณ์ของแบตเตอรี่ใหม่ที่ชาร์จเต็มคือ 100%;แม้ว่าแบตเตอรี่เก่าจะชาร์จจนเต็มแล้ว แต่ก็ไม่สามารถทำได้ถึง 100% ภายใต้สภาวะการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกัน

รูปต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและความจุของแบตเตอรี่ที่อัตราการคายประจุที่แตกต่างกันยิ่งอัตราการคายประจุสูงเท่าใด ความจุของแบตเตอรี่ก็จะยิ่งลดลงเท่านั้นเมื่ออุณหภูมิต่ำลง ความจุของแบตเตอรี่ก็จะลดลงด้วย

รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและความจุภายใต้อัตราการไหลและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน

1.2 แรงดันไฟชาร์จสูงสุด

แรงดันไฟชาร์จสูงสุดจะสัมพันธ์กับองค์ประกอบทางเคมีและคุณลักษณะของแบตเตอรี่แรงดันชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมโดยทั่วไปคือ 4.2V และ 4.35V และค่าแรงดันของวัสดุแคโทดและแอโนดจะแตกต่างกันไป

1.3 ชาร์จเต็มแล้ว

เมื่อความแตกต่างระหว่างแรงดันแบตเตอรี่และแรงดันไฟชาร์จสูงสุดน้อยกว่า 100mV และกระแสไฟชาร์จลดลงเหลือ C/10 จะถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้วเงื่อนไขการชาร์จเต็มจะแตกต่างกันไปตามลักษณะของแบตเตอรี่

ภาพด้านล่างแสดงเส้นโค้งลักษณะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไปเมื่อแรงดันแบตเตอรี่เท่ากับแรงดันชาร์จสูงสุดและกระแสชาร์จลดลงถึง C/10 จะถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว

รูปที่ 2 เส้นโค้งลักษณะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม

1.4 แรงดันดิสชาร์จขั้นต่ำ

แรงดันดิสชาร์จต่ำสุดสามารถกำหนดได้โดยแรงดันดิสชาร์จแบบตัด ซึ่งโดยปกติจะเป็นแรงดันเมื่อสถานะของประจุเป็น 0%ค่าแรงดันไฟฟ้านี้ไม่ใช่ค่าคงที่ แต่เปลี่ยนแปลงตามโหลด อุณหภูมิ ระดับอายุ หรือปัจจัยอื่นๆ

1.5 ปล่อยเต็ม

เมื่อแรงดันแบตเตอรี่น้อยกว่าหรือเท่ากับแรงดันดิสชาร์จขั้นต่ำ จะเรียกว่าดิสชาร์จอย่างสมบูรณ์

1.6 อัตราประจุและคายประจุ (C-Rate)

อัตราการคายประจุเป็นตัวแทนของกระแสคายประจุที่สัมพันธ์กับความจุของแบตเตอรี่ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ 1C เพื่อคายประจุเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง ตามหลักแล้ว แบตเตอรี่จะคายประจุจนหมดอัตราการคายประจุที่แตกต่างกันจะส่งผลให้มีความจุในการใช้งานที่แตกต่างกันโดยทั่วไป ยิ่งอัตราการคายประจุสูงเท่าใด ความจุที่มีอยู่ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

1.7 วงจรชีวิต

จำนวนรอบหมายถึงจำนวนการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ทั้งหมด ซึ่งสามารถประเมินได้จากความจุการคายประจุจริงและความสามารถในการออกแบบเมื่อความสามารถในการระบายสะสมเท่ากับความสามารถในการออกแบบ จำนวนรอบจะต้องเป็นหนึ่งโดยทั่วไป หลังจาก 500 รอบการชาร์จ-ดิสชาร์จ ความจุของแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มแล้วจะลดลง 10%~20%

รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างรอบเวลาและความจุของแบตเตอรี่

1.8 การปลดปล่อยตัวเอง

การคายประจุเองของแบตเตอรี่ทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นการคายประจุเองโดยพื้นฐานแล้วไม่ใช่ข้อบกพร่องจากการผลิต แต่เป็นลักษณะของแบตเตอรี่เองอย่างไรก็ตาม การบำบัดที่ไม่เหมาะสมในกระบวนการผลิตจะทำให้การปลดปล่อยตัวเองเพิ่มขึ้นเช่นกันโดยทั่วไป อัตราการคายประจุเองจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น 10 °C ความสามารถในการคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอยู่ที่ประมาณ 1-2% ต่อเดือน ในขณะที่แบตเตอรี่ที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบต่างๆ จะอยู่ที่ 10- 15% ต่อเดือน

รูปที่ 4 ประสิทธิภาพของอัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียมที่อุณหภูมิต่างๆ