Znaczenie czasu trwania fazy napięcia stałego w ładowaniu baterii litowej

Czas trwania fazy stałego napięcia odzwierciedla wielkość stosunku prądu stałego. Z punktu widzenia danych jest to najbardziej bezpośrednia reprezentacja stanu wewnętrznego baterii.

I. Jaki jest współczynnik prądu stałego?

Najpopularniejszą standardową technologią ładowania jest ładowanie prądem stałym/stałym napięciem, tj. CC (prąd stały) + CV (napięcie stałe). Faza prądu stałego to proces szybkiego ładowania, podczas którego ładowarka ładuje stałym, wysokim prądem, a napięcie akumulatora stale rośnie. Gdy napięcie osiągnie górną granicę (np. 4,3 V dla trójskładnikowych ogniw litowych), następuje automatyczne przejście do fazy napięcia stałego. W tym czasie napięcie pozostaje stałe, a prąd stopniowo maleje, aż spadnie do 0,05–0,1°C, po czym ładowanie kończy się. Stały współczynnik prądu = CC / (CC + CV)

II. Mechanizm czasu trwania fazy stałego napięcia

Na czas trwania fazy stałego napięcia wpływają zasadniczo dwa czynniki: zmiany rezystancji wewnętrznej i polaryzacja.

1. Zmiany oporu wewnętrznego
Zgodnie z prawem Ohma U=IR, przy stałym prądzie ładowania wzrost rezystancji wewnętrznej akumulatora spowoduje większy spadek napięcia omowego. Prowadzi to do tego, co powszechnie nazywamy „sztucznie wysokim” napięciem — rzeczywista ilość ładunku zmagazynowanego w akumulatorze jest daleka od pełnego, ale zmierzone zewnętrznie napięcie na zaciskach osiągnęło już napięcie odcięcia ładowania, zmuszając akumulator do przedwczesnego przejścia ze stanu prądu stałego na stopień stałego napięcia.

2. Wpływ polaryzacji
Napięcie polaryzacyjne odnosi się do różnicy pomiędzy rzeczywistym potencjałem roboczym elektrody a potencjałem równowagi termodynamicznej. Można to zrozumieć za pomocą prostego wzoru: napięcie zmierzone zewnętrznie = rzeczywiste napięcie obwodu otwartego akumulatora + spadek napięcia w rezystancji + napięcie polaryzacji. Pod koniec ładowania prądem stałym, gdy zmierzone zewnętrznie napięcie osiąga napięcie końcowe, po odjęciu spadku napięcia omowego i napięcia polaryzacji, rzeczywiste napięcie obwodu otwartego akumulatora jest nadal znacznie niższe od napięcia pełnego ładowania.

Istotą etapu stałego napięcia jest stopniowe zmniejszanie prądu ładowania, aby jednocześnie zmniejszyć omowy spadek napięcia i napięcie polaryzacji, umożliwiając powolny wzrost prawdziwego napięcia obwodu otwartego akumulatora do prawdziwego poziomu pełnego naładowania. Gdy rezystancja polaryzacyjna akumulatora znacznie wzrasta, oznacza to, że potrzebny jest dłuższy czas i mniejszy prąd, aby zmniejszyć napięcie polaryzacyjne do wystarczająco niskiego poziomu, aby dokończyć ładowanie pozostałego ładunku.

III. Czas trwania fazy stałego napięcia odzwierciedla charakterystykę akumulatora

1. Stan zdrowia komórek:

Współczynnik prądu stałego jest silnie dodatnio skorelowany ze stanem zdrowia akumulatora (SOH). Współczynnik prądu stałego stopniowo maleje wraz ze wzrostem liczby cykli.

2. Możliwość szybkiego ładowania:

Współczynnik prądu stałego odzwierciedla zdolność szybkiego ładowania. Różne szybkości ładowania (1C, 2C, 3C) powodują różne współczynniki prądu stałego. Co więcej, współczynnik prądu stałego maleje wraz ze wzrostem szybkości ładowania. Dlatego przy tej samej szybkości ładowania wyższy współczynnik prądu stałego wskazuje na lepszą zdolność szybkiego ładowania.

3. Bezpieczeństwo:

Niższy współczynnik prądu stałego wskazuje na dłuższą fazę stałego napięcia, co sugeruje wyższy opór wewnętrzny w ogniwie. Gwałtowny spadek współczynnika prądu stałego wraz ze wzrostem liczby cykli ogniw często wskazuje na poważne zagrożenie bezpieczeństwa. Wysoka rezystancja wewnętrzna prowadzi do nadmiernego wytwarzania ciepła podczas ładowania, przyspieszając starzenie się akumulatora. Co bardziej niebezpieczne, w przypadku mocno zużytych akumulatorów, ładowanych niskim prądem przez dłuższy czas pod koniec fazy stałego napięcia, następuje pogorszenie dynamiki elektrody ujemnej, co łatwo powoduje platerowanie litem. Osad litu metalicznego może przebić separator, powodując wewnętrzne zwarcia lub nawet niestabilność termiczną.

4. Spójność pakietu akumulatorów
W pojazdach elektrycznych lub zestawach akumulatorów do magazynowania energii różnica w czasie stałego napięcia pomiędzy poszczególnymi ogniwami jest kluczowym wskaźnikiem spójności. Jeśli czas stałego napięcia ogniwa jest znacznie dłuższy niż w innych, oznacza to poważniejsze starzenie się, wyższą rezystancję wewnętrzną i stanie się „słabym ogniwem” w całym zestawie akumulatorów, ograniczając ogólną wydajność i zwiększając ryzyko bezpieczeństwa.

ACEY-AS11S maszyna do sortowania akumulatorów jest niezbędnym narzędziem dla profesjonalnych producentów akumulatorów. Został zaprojektowany specjalnie do testowania i sortowania ogniw cylindrycznych – w tym typów LiFePO4 i NCM – według ich napięcia obwodu otwartego (OCV) i rezystancji wewnętrznej (IR).

Streszczenie: Czas trwania fazy stałego napięcia dla świeżych ogniw zależy od szybkości ładowania, temperatury otoczenia, układu chemicznego i napięcia odcięcia ładowania.