Емкость аккумулятора и аккумуляторной батареи

Емкость аккумулятора и аккумуляторной батареи

Емкостью аккумулятора называют количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при непрерывном разряде постоянной силой тока до определенного конечного напряжения. По ГОСТ 959.0—71 номинальная емкость С20 стартерных батарей гарантируется при непрерывном 20-часовом разряде батареи силой тока, равной 0,05Сзо, до напряжения 1,75 В на отстающем аккумуляторе, средней температуре электролита 25 °С и его начальной плотности 1,285 г/см.

Для определения емкости батареи ее сначала полностью заряжают силой тока I — 0,1 С20 и доводят плотность электролита до 1,285 г/см3, а затем разряжают силой тока I = 0,05 С20 до тех пор, пока на одном из отстающих аккумуляторов напряжение не понизится до 1,75 В.

При стартерном режиме разряда батарею разряжают силой тока 1 — 3 С20. Если начальная температура электролита была +25 °С, разряд батареи прерывают, когда на одном из аккумуляторов напряжение понизится до 1,5 В; при начальной температуре электролита —18 °С эта величина должна составлять 1В.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Емкость батареи при 20-часовом режиме разряда больше емкости при Ю-часовом режиме разряда в 1,13 — 1,14 раза.

Емкость батареи при последовательном соединении одинаковых по емкости аккумуляторов равна емкости одного аккумулятора, а э. д. с. батареи равна сумме э. д. с. аккумуляторов, входящих в батарею.

При параллельном соединении аккумуляторов в батарею ее емкость равна сумме емкостей всех аккумуляторов, а э. д. с. батареи равна э. д. с. одного аккумулятора.

В практике обычно параллельно соединяют 12-вольтные батареи с целью увеличения емкости для пуска двигателя стартером, потребляющим большую силу тока.

При эксплуатации батарей разрядная емкость аккумуляторов зависит от следующих основных факторов: массы и пористости активной массы положительных и отрицательных пластин; силы разрядного тока; температуры электролита; плотности электролита; химической чистоты серной кислоты, воды и материалов, из которых изготовлены решетки и активная масса пластин; чистоты поверхности крышек аккумуляторов батареи; длительности работы пластин и др.

Увеличить емкость аккумулятора при одной и той же массе пластин можно путем увеличения количества пластин за счет уменьшения их толщины и увеличения пористости активной массы. При большем количестве пластин, меньшей их толщине и большей пористости активной массы увеличивается площадь соприкосновения активной массы с электролитом, облегчается проникновение электролита в глубокие слои активной массы, а следовательно, увеличивается количество активной массы, участвующей в химических реакциях, что повышает емкость аккумулятора.

Сила разрядного тока оказывает значительное влияние на емкость аккумуляторной батареи. При увеличении силы разрядного тока, особенно при включении стартера, внутри пор активной массы положительных пластин быстро образуется большое количество воды, поэтому плотность электролита в порах значительно снижается. Следовательно, поверхностные слои активной массы пластин будут омываться более плотным электролитом и вследствие более интенсивного участия их в химических процессах разряжаются быстрее, а образующийся при этом сернокислый свинец закупоривает поры активной массы, уменьшая поступление свежего электролита внутрь пластин. Кроме того, кристаллы PbS04 покрывают стенки пор активной массы. Вследствие этого затрудняется использование химической энергии, запасенной во внутренних слоях активной массы пластик, и ее преобразование в электрическую энергию, что приводит к уменьшению разрядной емкости батареи. Этот фактор нужно учитывать при пуске двигателя стартером, особенно в зимнее время.

При 10-часовом режиме разряда работает около 50% активной массы пластин, а при стартерном режиме—не более 15%.

В соответствии с ГОСТ 959.0-71 при непрерывном разряде батареи ЗСТ-80 силой тока / = 0,05 С20, равной 4А, она отдает 80 А • ч, т. е. 100% номинальной емкости; при силе тока десятичасового режима, равной 7А, батарея отдает 70 А • ч, или 87,5%, а при силе тока / = 3 С20, равной 240 А, она отдает только 20 А • ч, или 25% емкости (рис. 8 и 9). Приведенные величины емкости получены при средней температуре электролита +25 °С для батареи с одинарными сепараторами.

С увеличением силы разрядного тока значительно уменьшается плотность электролита в порах активной массы положительных пластин, вследствие чего понижается э. д.с. и напряжение аккумулятора. Кроме того, напряжение понизится в результате увеличения падения напряжения внутри аккумулятора. Из-за быстрого снижения напряжения приходится преждевременно прекращать разряд батареи, и значительная часть разрядной емкости останется неиспользованной.

Во избежание образования крупных труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца разряд аккумулятора при 10-часовом режиме разряда прекращают при конечном напряжении 1,7 В; при 20-часовом режиме — 1,75 В, а при стартерном режиме разряда силой тока 3 Сго и начальной температуре электролита + 25 °С — при конечном напряжении 1,5 В и при стартерном режиме разряда силой тока 3С20 и начальной температуре электролита —18 °С — при конечном напряжении 1В.

При двойных сепараторах повышается внутреннее сопротивление батареи, вследствие чего при ее разряде быстрее снижается напряжение до допустимого предела, что вызывает необходимость более раннего прекращения разряда батареи. Применение двойных сепараторов снижает продолжительность стартер-ного разряда примерно на 10%, а следовательно, и емкость батареи уменьшается на 10%.

Большое влияние на разрядную емкость оказывает температура электролита. Номинальная емкость гарантируется при температуре электролита +25 °С.

Рис. 1. Разрядные характеристики аккумулятора емкостью 80 А-ч при различной силе разрядного тока и температуре электролита +25 °С ЗСТ-80 от силы разрядного тока при температуре электролита +25 °С

Рис. 2. Зависимость емкости аккумуляторной батареи

Рис. 3. Зависимость емкости аккумуляторной батареи ЗСТ-80 от температуры электролита при силе разрядного тока 240 А

С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры глубоких слоев активной массы пластин; при этом поверхностные слои активной массы быстрее преобразуются в PbS04 и кристаллы PbS04 закрывают поры активной массы, а поэтому химическая энергия, запасенная в глубоких слоях активной массы пластин, полностью не используется, а разрядная емкость батареи понижается. При понижении температуры электролита ниже +25 °С емкость аккумуляторной батареи при ее разряде силой тока, соответствующей 0,05. уменьшается на 1% на каждый градус понижения температуры, а при большей силе разрядного тока — на большую величину.

При увеличении температуры электролита с +25 до +45 °С емкость аккумуляторной батареи будет на 10 — 14% выше номинальной. Однако при этом возможно сильное коробление пластин, оползание активной массы и разрушение решеток положительных пластин.

Влияние понижения температуры электролита на емкость аккумуляторной батареи сильно сказывается в зимнее время при пуске двигателя стартером. Так, при разряде батареи ЗСТ-80 силой тока 240 А (3 С20) при температуре электролита +25 °С разрядная емкость батареи раьна 20 А • ч, что соответствует приблизительно 25% номинальной, а при той же силе разрядного тока, но при температуре электролита —18 °С, разрядная емкость будет равна 12 А-ч, что составляет около 15% номинальной емкости батареи.

Для получения большей величины разрядной емкости в зимнее время батарею утепляют, особенно со стороны крышек аккумуляторов, так как около 80% тепла излучается от межаккумуляторных перемычек.

Емкость аккумуляторной батареи зависит от срока службы аккумуляторов. В начале эксплуатации емкость новой батареи возрастает вследствие увеличения количества активной массы пластин, преобразующейся в перекись свинца и губчатый свинец (активная масса «разрабатывается»), но при длительной эксплуатации емкость батареи снижается из-за выпадения активной массы или ее отслаивания от решеток пластин, образования крупнокристаллического сернокислого свинца, уплотнения активной массы отрицательных пластин и по другим причинам.

Как выбрать аккумулятор для автомобиля?

 На сегодняшний день в продаже в СПб и других городах России большой выбор аккумуляторов не только различных производителей, но и разных типоразмеров. Здесь мы расскажем подобрать то что подойдёт именно на Ваш автомобиль.

Прежде чем купить аккумулятор для автомобиля рекомендуем внимательно прочитать эту статью, это упростит Вам выбор. Либо воспользоваться нашим Онлайн Каталогом Подбора Аккумуляторов по марке авто

От выбора правильного выбора аккумулятора для транспортного средства зависит очень многое, в частности бесперебойная работа основных узлов и агрегатов, требующих подачи электричества. Для того чтобы подобрать АКБ, который будет работать верой и правдой не один месяц, необходимо учитывать несколько его ключевых характеристик.  А именно :

1.Емкость АКБ

Один из основных параметров аккумулятора, на который следует ориентироваться, причем для разных автомобилей он отличается. В автомобильном аккумуляторе, как и в любой батарее, емкость показывает объем накапливаемой и хранимой энергии. Исчисляется он в Ампер-часах, причем этот показатель должен быть нанесен на корпус АКБ. Например, при емкости батареи 60 Ампер-часов, то на корпус или наклейку наносится маркировка 6СТ-60, 60 Ah, 60 Ач. Что бы купить правильный аккумулятор для своего авто первоначально нужно определиться с этой характеристикой, самый простой способ определить – посмотреть что написано на Вашем старом аккумуляторе.

2. Размеры и тип подключения клемм

В современном автопроме габаритные размеры и разъемы клемм стандартизированы, но они могут иметь определенные отличия в зависимости от марки, модификации, комплектации и года выпуска авто.

Немаловажным моментом при выборе аккумулятора являются его габаритные размеры, которые очень просто узнать, используя простую рулетку. Имея размеры старого аккумулятора, можно без проблем подобрать новый, который идеально встанет на место установки.

Не стоит использовать АКБ большего или меньшего размера, так как их проблематично закрепить на месте установки, а в некоторых случаях неправильная установка может привести к выходу его из строя или короткому замыканию.

Все аккумуляторы можно условно разделить по типу корпуса на «Европу» и «Азию». Во втором варианте клеммы несколько выступают над верхней поверхностью корпуса, а в первом они утоплены и размешены в небольших нишах.

Перед выбором аккумуляторной батареи важно обратить расположение клеммных контактов. Этот момент важен тем, что силовые провода в автомобилях имеют минимальную длину, причем удлинять их не рекомендуется, так как слишком велика вероятность короткого замыкания. Различают два вида полярности аккумулятора – прямая («+» расположен слева, а «-» справа, если смотреть на корпус с лицевой стороны) и обратная (соответственно, клемы расположены наоборот).

3.Пусковой ток

 Отдельного внимания заслуживает пусковой ток, измеряемый в амперах, подаваемый при запуске двигателя на стартер. Особенность такого тока в том, что чем выше его значение, тем более длительное время и с большим усилием стартер будет проворачивать двигатель, что особенно важно при проблемном запуске.

Показатели пускового тока зависят от определенных факторов – уровня вязкости масла двигателя, температурного режима работы, особенностей газораспределительной установки, показателей прокручивания стартер/мотор, характеристик двигателя и еще нескольких параметров силовой установки автомобиля. АКБ стандартного исполнения рассчитаны на использование при температурах 25-27 град. Цельсия, так как в таком случае батарея выдает 98-100% своих мощностных характеристик. Если использовать АКБ при -18 град. Цельсия, то пусковой ток падает до 40-45%, чего недостаточно для запуска двигателя. Соответственно, при постоянной эксплуатации аккумулятора в холодном климате необходимо позаботиться об увеличенной емкости.

4.Ценовая политика

Выбор аккумулятора по цене зависит, прежде всего, от того, какой бюджет планируется потратить на покупку. Все АКБ условно делятся на несколько ценовых категорий, в которых подбирается не только цена, но и модификация аккумулятора для конкретного авто. Основные категории:

• Эконом;
• Стандарт;
• Премиум.

Различаются эти категории используемыми при производстве батарей технологиями. Самыми практичными принято считать АКБ класса «Стандарт», в которых соотношение «цена-качество» на оптимальном уровне. Чаще всего с повышением цены повышается качество.

Если сравнивать «Эконом» с другими категориями, то его срок службы не такой большой, не имеет длительной гарантии и не рассчитан на высокие показатели стартового тока. Стоит сказать, что разница в сроках эксплуатации может быть до двух лет, а стартовый ток отличаться на 30-120 Ампер.

Важно обратить внимание на правильность подключения аккумулятора после установки его на свое место, а также целостность и качество цепи, уровень напряжения. Для этого можно использовать стандартный тестер, позволяющий обнаружить повышенное и пониженное напряжение, которые негативно воздействуют на срок эксплуатации АКБ и количество его циклов зарядки.

В нашей компании «АКБ98» можно подобрать оптимальный вариант аккумуляторной батареи для любого автомобиля, воспользовавшись разделом «подбор по авто», благодаря которому процесс поиска существенно упростится и ускорится.

Возможно Вас так же заинтересует:

Онлайн подбор аккумулятора по марке авто

Как выбрать какой аккумулятор купить для грузовика?

Должен ли быть аккумулятор «свежим»?

Сколько прослужит аккумулятор и как продлить ему жизнь?

HydroMuseum – Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора – самая важная техническая
характеристика аккумулятора, которая показывает, сколько времени
аккумулятор сможет питать подключенную к нему нагрузку. Обычно емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах, а для
небольших аккумуляторов ─ в миллиампер-часах.

Сама единица измерения
показывает, что емкость аккумулятора является произведением постоянного тока
разряда аккумулятора (в амперах, иногда в миллиамперах) на время разряда (в
часах):

Е [А · час] = I [А] · T [час]

Вопреки расхожему
мнению, емкость аккумулятора не характеризует полностью энергию аккумулятора,
т.е. энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе.
Ведь чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.
В самом деле, электрическая энергия равна произведению напряжения на ток и на
время протекания тока:

W [Дж]= I [А] · U [В] · T [с]

Следовательно,
энергия аккумулятора равна произведению его емкости на номинальное напряжение:

W [Вт·час]= E [А·час] · U [В]

Если несколько
аккумуляторов одной емкости соединены последовательно, то емкость получившейся
аккумуляторной батареи равна емкости входящих в батарею аккумуляторов. А
энергия аккумуляторной батарея является произведением энергии одного
аккумулятора на число аккумуляторов.

Иногда путают
емкость аккумулятора и заряд (заряженность) аккумулятора. Емкость показывает
потенциал аккумулятора, то, сколько времени он сможет питать нагрузку, если
будет полностью заряжен.

Можно провести
аналогию со стаканом воды. Емкость (объем) стакана не изменяется в зависимости
от того, полный он или пустой. Так и с аккумулятором ─ в заряженном и
разряженном состоянии аккумулятор имеет одну и ту же емкость.

Характеристики емкости свинцового
аккумулятора

Энергетическая емкость [Вт/элемент]

Характеристика
аккумулятора, показывающая способность аккумулятора разряжаться в режиме
постоянной мощности в течение определенного небольшого времени (обычно 15
минут). Эта характеристика распространена в США, но постепенно распространяется
и среди производителей аккумуляторов из других стран. Приближенно оценить
емкость аккумулятора в ампер-часах по его энергии в Вт/эл (15 мин) можно по
формуле:

Е [А·час] = W [Вт/эл] / 4

Резервная емкость

Характеристика
автомобильного аккумулятора, показывающая его способность питать электросистему
движущегося автомобиля, если генератор автомобиля не работает. Измеряется в
минутах разряда аккумулятора током 25 А. Распространена в США (reserve capacity). Приближенно оценить
емкость аккумулятора в ампер-часах по его резервной емкости в минутах можно по
формуле:

Е [А·час] = T [мин] / 2

Ток разряда

Чем больше ток
разряда, тем меньше емкость аккумулятора. Обычно производитель назначает
номинальной емкость свинцового аккумулятора при длительных (10, 20 или 100
часов) разрядах. При 15-минутном разряде емкость свинцового аккумулятора обычно
составляет чуть менее половины номинальной емкости.

Зависимость
времени разряда от тока разряда близка к степенной. Распространена, в
частности, формула (закон) Пейкерта (Пекерта) ─ по имени немецкого ученого
Peukert. Пейкерт установил, что:

I p·T = const

Здесь p ─ число Пейкерта ─ показатель степени, постоянный для данного
аккумулятора или типа аккумуляторов. Формула Пейкерта действует и для
современных герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов.

Для свинцовых
аккумуляторов число Пейкерта обычно изменяется от 1.15 до 1.35. Величину
константы в правой части уравнения можно определить по номинальной емкости
аккумулятора. Тогда, после нескольких преобразований, получим формулу для
емкости аккумулятора E при произвольном токе разряда I:

Е = E_н · (I_н / I)p-1

Здесь E_н ─ номинальная емкость аккумулятора, а I_н ─ ток разряда, при
котором задана номинальная емкость (обычно ток 20-часового или 10-часового
разряда).

Конечное напряжение разряда

По мере разряда
напряжение на аккумуляторе падает. При достижении конечного напряжения разряда
аккумулятор отключают. Чем меньше конечное напряжение разряда, тем больше
емкость аккумулятора. Производитель аккумулятора устанавливает минимальное
допустимое конечное напряжение разряда (оно зависит от тока разряда). Если напряжение
аккумулятора становится меньше этой величины (глубокий разряд), аккумулятор
может выйти из строя.

Температура

При повышении
температуры от 20 до 40 градусов Цельсия емкость свинцового аккумулятора
возрастает примерно на 5%. При уменьшении температуры от 20 до 0 градусов
Цельсия емкость аккумулятора уменьшается примерно на 15%. При уменьшении
температуры еще на 20 градусов, емкость аккумулятора падает еще на 25%.

Износ аккумулятора

Емкость
свинцового аккумулятора в состоянии поставки может быть чуть больше или чуть
меньше номинальной емкости. После нескольких циклов разряд-заряд или нескольких
недель пребывания под «плавающим» зарядом (в буфере) емкость
аккумулятора увеличивается. При дальнейшей эксплуатации или хранении
аккумулятора емкость аккумулятора падает ─ аккумулятор изнашивается, стареет и,
в конце концов, должен быть заменен новым аккумулятором. Чтобы заменить
аккумулятор вовремя, за износом аккумулятора лучше следить с помощью
современного тестера емкости аккумулятора ─ индикатора емкости свинцовых
аккумуляторов «Кулон»

Классическим методом проверки аккумулятора является
контрольный разряд. Аккумулятор заряжают, а затем разряжают постоянным током,
регистрируя время до конечного напряжения разряда. Дальше определяют остаточную
емкость аккумулятора по формуле:

Е [А·час]= I [А] · T [час]

Ток разряда
обычно выбирают таким, чтобы время разряда примерно соответствовало 10 или 20
часам (в зависимости от того, для какого времени разряда указана номинальная
емкость аккумулятора). Теперь можно сравнить остаточную емкость аккумулятора с
номинальной емкостью. Если остаточная емкость составляет менее 70-80%
номинальной емкости, аккумулятор выводят из эксплуатации, потому что при таком
износе, дальнейшее старение аккумулятора будет происходить очень быстро.

Недостатки
традиционного метода контроля емкости аккумулятора очевидны:

• сложность
  и трудоемкость;
• выведение
  аккумулятора из эксплуатации на длительный срок.

Для быстрого теста аккумуляторов сейчас
существуют специальные приборы, которые позволяют проверить емкость
аккумулятора за несколько секунд.

батарей | Бесплатный полнотекстовый | Факторы, влияющие на расчет емкости литий-ионных стационарных батарей

1. Введение

В результате конкурентных исследований и разработок во всем мире ускоряется разработка высокопроизводительных и емких систем накопления энергии (ESS). С момента появления литий-ионных аккумуляторов в 1991 году они широко применяются в устройствах накопления энергии. В первые дни он широко использовался в портативных электронных устройствах. Однако в последние годы применение ESS в электромобилях и на возобновляемых источниках энергии быстро расширяется. Однако в то время как промышленные стандарты для размеров существующих стационарных батарей, таких как свинцово-кислотные батареи и никель-кадмиевые батареи, установлены, промышленные стандарты для размеров литий-ионных стационарных батарей все еще находятся в стадии разработки.

IEC 62619-2017 «Требования безопасности к вторичным литиевым элементам и батареям для использования в промышленности» и IEC 62620-2014 «Вторичные элементы и батареи, содержащие щелочные или другие некислотные электролиты» являются недавно установленными международными стандартами для стационарных литий-ионные аккумуляторы. Однако IEC 62619 и 62620 не охватывают метод определения емкости литий-ионных стационарных батарей. 31 декабря 2017 года Корейская электрическая ассоциация опубликовала Кодекс электроэнергетики Кореи (KEPIC) EEG 1400 «Проектирование и установка литий-ионных аккумуляторов для станций». KEPIC EEG 1400 описывает, как определить размер литий-ионного стационарного оборудования. аккумуляторов, но не учитывает всех характеристик литий-ионных аккумуляторов.

Автором предложена формула выбора емкости литий-ионных стационарных аккумуляторов для установления норм промышленного проектирования, необходимых для проектирования и монтажа стационарных аккумуляторов на атомных электростанциях [1]. В качестве дальнейшего исследования целью этой статьи является рассмотрение характеристик напряжения элемента батареи, одного из факторов, влияющих на расчет технических характеристик батареи, и предложение того, как применять коэффициент напряжения при расчете емкости батареи. Исследования механизмов уменьшения емкости и снижения производительности литий-ионных аккумуляторов проводятся многими исследователями [2,3,4,5]. Результаты таких исследований являются важным фактором при прогнозировании срока службы батареи. Однако в этом исследовании предполагается, что батарея заменяется, когда ее емкость становится ниже заданного уровня ниже ее номинальной емкости.

Для сравнения литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных аккумуляторов было проведено тематическое исследование. В качестве примера была выбрана система 125 В постоянного тока атомной электростанции с водо-водяным реактором (PWR). Это связано с тем, что Институт ядерной энергии (NEI) поднял вопрос о необходимости увеличения времени резервного питания от батарей до 24 часов [6].

2. Факторы, влияющие на расчет емкости литий-ионных аккумуляторов

2.1. Номинальное напряжение

Литий-ионные батареи состоят из ячеек, в которых в качестве положительного и отрицательного материалов используются интеркаляционные соединения лития. Литий-ионные батареи могут быть изготовлены с использованием оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ или LCO), оксид марганца (LiMn ₂ O ₄ или LMO), оксид лития, никеля, марганца, кобальта (LiNiMnCoO ₂ или NMC), фосфат лития-железа (LiFePO ₄ ), титанат лития (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) и литий-никель-кобальт-алюминийоксид (LiNiCoAlO ₂ ), как показано в таблице 1 [7].

Различные размеры и формы производятся разными производителями. Один элемент обычно работает в диапазоне от 2,5 В до 4,2 В. Выходное напряжение литий-ионного аккумулятора меняется во время разрядки. Номинальное напряжение — это напряжение, которое измеряется, когда батарея разряжается на 50 % своей полной энергии, исходя из скорости разряда 0,2 C. Поскольку энергия батареи зависит от произведения напряжения на емкость, батарея с высокой плотностью энергии получается из материала с высоким напряжением и большой емкостью [8].

2.2. Зарядное напряжение и состояние емкости

Как правило, стационарные батареи работают с плавающей зарядкой и разряжаются на нагрузку при отключении источника зарядки. Существует примерно линейная зависимость между состоянием заряда (SOC) свинцово-кислотных аккумуляторов и напряжением разомкнутой цепи (OCV). В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы не имеют линейной зависимости между OCV и SOC [9]. SOC батареи определяется как отношение ее текущей емкости (Qt) к номинальной емкости (Qn). Номинальная или номинальная емкость (Ач) батареи определяется как максимальное количество Ач, которое полностью заряженная батарея может разрядить при определенных условиях. Эти условия включают в себя конечное напряжение батареи, ток разряда и температуру.

Большинство аккумуляторов имеют разное напряжение заряда. При напряжении ниже этого определенного напряжения аккумулятор не заряжается, а если напряжение заряда немного выше, чем определенное напряжение заряда, аккумулятор полностью заряжается, хотя это может занять много времени. Однако литий-ионные (литий-ионные, литий-полимерные, литий-ионно-фосфатные и т. д.) аккумуляторы отличаются от аккумуляторов других типов. Величина зарядки зависит от напряжения, как показано на рисунке 1 [10]. Продолжение зарядки полностью заряженного аккумулятора может привести к возгоранию из-за перезарядки. В последнее время в Корее участились пожары в ESS (системе накопления энергии), работающей совместно с солнечной энергией. Поэтому производитель рекомендовал клиентам ограничить количество заряда ниже определенного уровня, чтобы предотвратить перезарядку, пока не будут проверены причины возгорания.

2.2.1. Процесс зарядки и напряжение

Существует несколько методов зарядки литий-ионных аккумуляторов. Это методы непрерывной зарядки, пятиступенчатой ​​зарядки, импульсной зарядки и ускоренной зарядки. Одним из наиболее известных методов зарядки является капельная зарядка [11]. Под непрерывной зарядкой понимается зарядка полностью заряженной батареи с той же скоростью, что и скорость саморазряда, таким образом, чтобы батарея могла поддерживать полный уровень заряда. Однако литий-ионные аккумуляторы нельзя безопасно заряжать непрерывно. В этом случае схема зарядки контролирует электрические условия во время зарядки, чтобы соответствовать требованиям химического состава батареи. График на Рисунке 2 [12] показывает поведение процесса зарядки постоянным током/постоянным напряжением (CCCV) элемента литий-ионной батареи. Зарядное устройство ограничивает ток до заданного уровня до тех пор, пока аккумулятор не достигнет заданного уровня напряжения отсечки. Затем ток уменьшается, когда батарея становится полностью заряженной. Эта система обеспечивает быструю зарядку без риска перезарядки.

2.2.2. Плавающее зарядное напряжение

Плавающее напряжение — это напряжение, которое поддерживает состояние заряда батареи после полной зарядки путем компенсации саморазряда. Соответствующее плавающее напряжение будет сильно различаться в зависимости от химического состава и структуры батареи, а также от температуры окружающей среды [13].

Принимая во внимание, что свинцово-кислотные, NiCd и NiMH элементы предназначены для рекомбинации; литий-ионные элементы не могут. Когда свинцово-кислотная батарея перезаряжена, положительная пластина вырабатывает кислород, а отрицательная пластина выделяет газообразный водород. Затем кислород и водород рекомбинируют и превращаются в воду. (О ₂ ↑ + 4H + 4e ⁻ ↔ 2H ₂ O). Однако любой ток, проходящий через полностью заряженный литий-ион, повреждает его и/или сокращает срок службы элемента. После частых пожаров в системах накопления энергии (ESS) с литий-ионными батареями производители аккумуляторов рекомендовали снизить потолок SOC с 90% до 70%. Поскольку литий-ионные элементы необратимо деградируют при перезарядке или переразрядке и могут выйти из строя при перезарядке, в литий-ионных батареях обычно используется схема управления батареями для поддержания зарядного напряжения ниже напряжения отключения и предотвращения перезарядки [14].

С другой стороны, согласно эксперименту в ссылке [15], катодная батарея LiFePO ₄ сохранила 70% своей начальной разрядной емкости после 24-месячного испытания плавающего заряда. Скорость снижения емкости увеличивалась с повышением температуры, и емкость упала до 60% от начального значения после одного месяца испытания подзарядки при температуре 55 °C. Поэтому при определении требуемой емкости литий-ионной стационарной батареи необходимо учитывать как напряжение подзарядки, так и время подзарядки.

2.3. Разрядный ток и разрядная емкость

Разрядная емкость свинцово-кислотной батареи зависит от разрядного тока из-за константы k по формуле Пейкерта. Чем больше ток разряда, тем больше разница в разрядной емкости. Другими словами, разрядная емкость свинцово-кислотного аккумулятора экспоненциально уменьшается при больших токах, как показано на рис. 3 [16].

Разрядные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, которые в основном используются в промышленных целях, представлены следующим законом Пейкерта.

куда;

• Q _P Сброс емкость при разгрузке в 1 A [AH]

• I Ток разгрузки [a]

• T Время выгрузки до достижения загрузки примерно 1,3.

С другой стороны, литий-ионный аккумулятор имеет k-константу, близкую к единице. Это означает, что разрядная емкость аккумулятора не сильно зависит от величины разрядного тока и имеет хорошие разрядные характеристики при высокой скорости разряда. Однако по мере увеличения конечного напряжения различия в разрядной емкости в зависимости от скорости разряда начинают увеличиваться. И по мере увеличения количества циклов заряда-разряда разница в разрядной емкости в зависимости от скорости разряда увеличивается, как показано на рисунке 4 [17].

2.4. Рабочая температура и разрядная емкость

Литий-ионные батареи способны работать в относительно широком диапазоне температур, как указано в таблице 2 [18]. Кроме того, на него больше влияет температура во время зарядки, чем при разрядке.

Качество зарядки ухудшается при очень низких или высоких температурах. Свинцово-кислотные аккумуляторы можно заряжать при температуре ниже 0 °C. Однако рекомендуемый зарядный ток составляет 0,3 C. Чем выше температура, тем выше разрядная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов, как указано в «Таблице 1. Поправочные коэффициенты размера ячейки для температуры» стандарта IEEE Std. 485-1997 [19]. Все батареи достигают оптимального срока службы при температуре 20 °C или чуть ниже. При 40 °C потери увеличиваются на целых 40 %, а при зарядке и разрядке при 45 °C срок службы составляет лишь половину ожидаемого срока службы при 20 °C. Производительность всех аккумуляторов сильно падает при низких температурах. При 0 °C потеря температуры литий-ионного аккумулятора составляет около 10–20 процентов от его номинальной емкости при 25 °C.

Рисунок 5 может быть использован для предварительных входных данных [20]. Литий-ионный аккумулятор разлагается при температуре выше 35 °C, особенно при температуре выше 50 °C [21].

Согласно эксперименту, в ходе которого был испытан элемент графит/LiNixCoyMnzO ₂ с номинальным напряжением 3,6 В и номинальной емкостью 2,5 Ач, можно прогнозировать емкость аккумулятора по температуре окружающей среды. На рис. 6 [22] представлена ​​кривая зависимости температуры от разрядной емкости, построенная с помощью интерполяции. Из-за медленной диффузии в аккумуляторе влияние температуры на аккумулятор проявляется через много времени. Поэтому разумнее прогнозировать емкость батареи по температуре окружающей среды, чем по температуре батареи.

Между тем, что касается зависимости между температурой и разрядной емкостью, на рис. 7 [23] показаны кривые OCV-SOC батареи при температурах 45 °C, 25 °C, 0 °C и −20 °C. Кривая OCV-SOC сильно отличается, особенно под влиянием высоких и низких температур. На диаграмме чем выше температура окружающей среды, тем ниже напряжение отсечки разряда батареи, тем больше разрядная емкость батареи. Характеристическая кривая OCV-SOC представляет общий сдвиг вниз. И наоборот, чем ниже температура окружающей среды, тем выше напряжение отсечки разряда батареи, что приводит к увеличению мощности батареи, которая не может быть высвобождена.

2.5. Цикл зарядки и сохранение емкости

Очевидно, что различия в условиях испытаний и профилях могут существенно повлиять на результаты циклов. Известно, что большинство аккумуляторов, в том числе литий-ионных, предпочитают умеренный ток при постоянном разряде, а не импульсную или кратковременную высокую нагрузку. Циклические результаты соответствующих предыдущих исследований для литиевых батарей показали, что выравнивание нагрузки батареи снижает скорость деградации как емкости, так и сопротивления в ампер-часах. Однако данные недавних испытаний показали, что модули изнашиваются быстрее при циклировании постоянного тока, чем при использовании профилей динамических импульсов, как показано на рис. 8 [24]. Другой эксперимент был проведен с литий-ионным элементом типа никель-марганец-оксид-кобальт (Li (Ni _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 )O ₂ ) показывает различные результаты сохранения емкости после циклирования в зависимости от разрядного тока и комнатной температуры, как показано на рисунке 9 [25]. Таким образом, прояснение неопределенности в отношении влияния профиля нагрузки на срок службы батареи особенно важно в отношении размеров стационарных литий-ионных батарей.

3. Расчет емкости литий-ионного аккумулятора

3.

1. Связанные промышленные стандарты

Аккумуляторная система постоянного тока атомных электростанций должна соответствовать требованиям стандарта IEEE std. 946 [26] для номеров батарей, стандарт IEEE. 384 [27] для требований по разделению и регулирующее руководство RG1.75 [28] для других требований. Емкость свинцово-кислотной батареи определялась в соответствии со стандартом IEEE std. 485 [19]. Однако международные промышленные стандарты определения емкости стационарных литий-ионных аккумуляторов еще не установлены. Недавно был выпущен Кодекс электроэнергетики Кореи (KEPIC) EEG 1400 [29], который является единственным стандартом для определения размеров и установки стационарных литий-ионных аккумуляторов. Однако он не учитывает характеристики состояния заряда (SOC) и содержит недостаточно информации и рекомендаций по применению кода. Поэтому в этой статье подробно рассматриваются факторы, влияющие на разрядную емкость литий-ионных аккумуляторов, для определения размеров стационарных литий-ионных аккумуляторов. Ниже приводится формула определения емкости литий-ионной стационарной батареи, разработанная в предыдущем исследовании [1]. Кроме того, результаты тематического исследования описаны в Разделе 4.

3.2. Формула расчета емкости аккумулятора

Ниже приводится метод расчета емкости и размеров литий-ионного аккумулятора, предложенный в статье [1].

куда

F _s  

— мощность, необходимая для нагрузок постоянного тока [Втч];

F _d  

— емкость батареи без поправки на температуру, старение, расчетный запас и т. д.;

S _f  

— поправочный коэффициент емкости.

И,

куда

d _f  

— расчетный запас;

t _f  

– поправочный коэффициент температуры;

c _f  

— коррекция состояния заряда (SOC);

a _f  

— компенсация старения;

i _f  

— потери инвертора (только для батареи ИБП).

Поправочные коэффициенты мощности были оценены, как показано ниже. Расчетный запас (d _f ) — это запас, необходимый для покрытия неизвестных или непроверенных нагрузок постоянного тока. Рекомендуемый расчетный запас для стационарной батареи указан в IEEE 485.

Батареи чувствительны к температуре окружающей среды. Поправочный коэффициент температуры (t _f ) был определен на основе постулируемого наихудшего рабочего состояния.

SOC литий-ионной батареи менялась в зависимости от зарядного напряжения, как показано на рис. 1. Стационарная батарея работала в плавающем режиме зарядки во время нормальной работы. Поэтому на разрядную емкость литий-ионной батареи влияло плавающее зарядное напряжение. Конечное напряжение батареи также необходимо учитывать при определении поправочного коэффициента SOC (c _ф ). Номинальная емкость батареи представляет собой общую разряженную емкость, когда батарея разряжается до тех пор, пока напряжение батареи не упадет до номинального напряжения.

Сохранение емкости батареи (%) уменьшилось с увеличением числа циклов, как показано на рис. 8 и рис. 9. Поэтому емкость батареи следует контролировать путем проведения теста производительности. Обычно это делается в течение первых двух лет эксплуатации в целях сравнения, чтобы проверить, соответствуют ли результаты по продолжительности рабочему циклу батареи [30]. Если батарея заменяется, когда ее разрядная емкость достигает 80 % от номинальной, установленной производителем, то коэффициент компенсации старения составляет 25 %.

4. Пример определения емкости литий-ионной батареи

4.1. Аккумуляторы постоянного тока 125 В, не связанные с безопасностью, для атомной электростанции

Резервная система постоянного тока 125 В устанавливается для безопасных и небезопасных нагрузок постоянного тока атомных электростанций. Резервная система 250 В постоянного тока устанавливается для небезопасных больших нагрузок, таких как двигатели постоянного тока для турбин и генераторов. В таблице 3 показаны профили нагрузки небезопасной системы постоянного тока 125 В для атомной электростанции PWR. Квалификация оборудования требуется для безопасных батарей постоянного тока, но квалификация оборудования выходит за рамки данного документа. Поэтому для примера расчета в этой статье была выбрана батарея постоянного тока 125 В, не связанная с безопасностью.

4.2. Выбор элемента батареи и системы

Расчет требуемой емкости по уравнениям (2) и (3).

где каждый поправочный коэффициент применялся следующим образом:

d _f : 10 %, t _f : 5 %, c _f : 10 %, a _f : 25 %, i _f : 0 %

Для непроверенных нагрузок постоянного тока расчетный запас (d _f ) принимался равным 10% в соответствии с общей практикой проектирования электростанции, если заказчик не предъявлял особых требований. Температуру в аккумуляторной поддерживали на уровне 25 °C, но поправочный коэффициент температуры (t _f ) в размере 5%, учитывая, что температура может упасть ниже этого уровня при отключении питания переменного тока (см. рис. 5 и рис. 6). Аккумулятор работал с плавающей зарядкой и плавающим напряжением, которое должно быть ниже максимального напряжения (см. раздел 2.2.2). Минимальное напряжение батареи составляло 3,0 В. Однако напряжение конца разряда составляло 3,09 В, поскольку минимальное напряжение системы постоянного тока составляло 105 В (см. Таблицу 4). Таким образом, был применен поправочный коэффициент SOC (c _f ) в размере 10 % на основе приведенных выше результатов обзора и рисунков 1 и 2. Когда разрядная емкость достигла 80 % от номинальной емкости в результате периодических испытаний на разряд, замена батареи была общий стандарт эксплуатации и технического обслуживания электростанций. Поэтому был применен поправочный коэффициент на возраст 25%.

Тогда требуемая емкость батареи по нагрузкам постоянного тока [Втч] составляет

Системы литий-ионных батарей, подходящие для вышеуказанной емкости батарей, были выбраны на основе спецификации ESS отечественной компании и ее спецификаций, которые приведены в таблице 5. [31].

Аккумуляторная система для не связанной с безопасностью системы постоянного тока 125 В:

(a)

Батарейный модуль

• Емкость: 9435 Втч

• Тип ячейки 2:5 Ач

• 0005

• Номинальное напряжение: 62,9 В (3,7 В × 17)

• Тип соединения: 17 серий × 2 Параллель

(b)

Boadk Cumbicle

• . /Кабина

• Тип подключения: 2 серия × 5 Параллель

• Кабина емкость: 750 AH (150 AH × 5)

• Номинальное напряжение: 125,8 В (62,9 В × 2)

• . Ш × Г × В): 1150 × 740 × 2116 мм

• Пиковая скорость разряда; 6000 A (8 C)

(C)

Батарея

• Количество кабин: 3 кубик

• Тип системы: 3 параллель

• . × 3)

• Номинальное напряжение: 125,8 В

• Энергия: 283 кВтч

• Занимаемая площадь: 2,25 м ^{2 9 × 9056 9 куб. 0005}

(d)

Поправочный коэффициент практической емкости:

4.3. Эквивалентная емкость и размер свинцово-кислотной батареи

Была выбрана свинцово-кислотная батарея, подходящая для применения на атомных электростанциях [32], и была рассчитана предполагаемая емкость и необходимая площадь для установки батареи. Определение емкости свинцово-кислотного аккумулятора выполняли в соответствии с уравнением (4) стандарта IEEE 485.

куда

• F  – нескорректированный размер ячейки;

• S   – анализируемый участок рабочего цикла;

• N  количество периодов рабочего цикла;

• P   – анализируемый период;

• A _p   ампер, необходимый для периода P;

• t   – время в минутах от начала периода P до конца участка S;

• k _t    – это отношение номинальной мощности ячейки в ампер-часах к амперам, которые может подавать ячейка в течение t минут при температуре 25 °C, и к заданному минимальному напряжению ячейки.

Ниже приведены характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, рассчитанные на основе профиля нагрузки постоянного тока из Таблицы 3. литий-ионный аккумулятор;

5. Результаты и выводы

В этой статье подробно рассматриваются зарядные и разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов. Были рассмотрены и другие факторы, влияющие на определение емкости литий-ионных аккумуляторов и их характеристик. Затем, в соответствии с формулой расчета емкости литий-ионного аккумулятора, представленной в предыдущей статье [1], была рассчитана емкость аккумулятора, используемого в системе постоянного тока 125 В АЭС PWR, и результаты были сопоставлены с существующими стационарные свинцово-кислотные аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы устанавливаются в шкафах, а свинцово-кислотные — в одноярусных стеллажах. В результате литий-ионные аккумуляторы занимают гораздо меньше места, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, как показано в результатах расчетов.

Там, где требуется долгосрочное резервное питание постоянного тока в случае потери питания переменного тока, например, на атомных электростанциях, настоятельно рекомендуется применять литий-ионные батареи с высокой плотностью энергии. Однако на сегодняшний день не разработан промышленный стандарт, одобренный на международном уровне, для расчета емкости стационарных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, формула расчета емкости литий-ионных стационарных аккумуляторов и факторы, влияющие на результат расчета емкости, представленные и оцененные в данной статье, помогут при проектировании и эксплуатации литий-ионных стационарных аккумуляторов. С другой стороны, производители литий-ионных аккумуляторов также должны предоставлять пользователям точные данные по вышеуказанным факторам.

Финансирование

Это исследование не получило внешнего финансирования.

Благодарности

Это исследование было поддержано Исследовательским фондом 2019 года Международной ядерной школы KEPCO (KINGS).

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Chang, C.-H.; Салли, М. Формула определения емкости литий-ионных стационарных аккумуляторов для установления стандарта промышленного дизайна. Дж. Электр. англ. Технол. 2018 , 13, 2561–2567. [Google Scholar]
2. Лин, X.; Парк, Дж.; Лю, Л.; Ли, Ю.; Састри, AM; Вей, Л. Комплексная модель снижения емкости и анализ литий-ионных аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 2013 , 160, А1701–А1710. [Google Scholar] [CrossRef]
3. Лю, Л.; Парк, Дж.; Лин, X .; Састри, AM; Лу, В. Термоэлектрохимическая модель, которая дает пространственно-зависимый рост межфазной фазы твердого электролита в литий-ионной батарее. Дж. Пауэр Сауэр. 2014 , 268, 482–490. [Google Scholar] [CrossRef]
4. Лю Л.; Гуань, П .; Лю, К. Экспериментальные и симуляционные исследования катодов с регулируемой пористостью для снижения деградации высоковольтных литий-ионных аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 2017 , 164, А3163–А3173. [Google Scholar] [CrossRef]
5. Гуань П.; Лю, Л.; Лин, X. Моделирование и эксперимент по эволюции морфологии межфазной фазы твердого электролита (SEI) и литий-ионной диффузии. Дж. Электрохим. соц. 2015 , 162, А1798–А1808. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
6. Технический отчет Института ядерной энергии, Руководство по внедрению разнообразных и гибких стратегий преодоления трудностей (FLEX); Институт ядерной энергии: Вашингтон, округ Колумбия, США, 6 декабря 2016 г.; стр. 8, 15 и 73.
7. Типы литий-ионных. Батарейный университет. Доступно в Интернете: http://batteryuniversity.com/learn/articles/types_of_lithium_ion (по состоянию на 6 июня 2019 г.).
8. Йошио, М.; Бродд, Р.Дж.; Кодзава, А. Литий-ионные аккумуляторы – наука и технологии; Спрингер: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 2009 г.; п. 32. [Google Scholar] [CrossRef]
9. «> Коулман М.; Ли, СК; Чжу, К.; Херли, В. Г. Определение состояния заряда по оценке напряжения ЭДС: с использованием импеданса, напряжения на клеммах и тока для свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов. IEEE транс. Инд. Электрон. 2007 , 54, 2550–2557. [Google Scholar] [CrossRef]
10. PowerStream. Как емкость коррелирует с напряжением заряда для ионно-литиевых аккумуляторов? Доступно в Интернете: https://www.powerstream.com/lithium-ion-charge-voltage.htm (по состоянию на 27 марта 2019 г.).).
11. Аюб, Э.; Карами, Н. Обзор методов зарядки литий-ионной батареи. В материалах Третьей международной конференции по техническим достижениям в области электротехники, электроники и вычислительной техники (TAEECE), Бейрут, Ливан, 29 апреля – 1 мая 2015 г. [Google Scholar] [CrossRef]
12. Thomas, B.R. Справочник Линдена по батареям, 4-е изд.; McGraw-Hill Co. Inc.: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 2011 г.; стр. 26, 53. [Google Scholar]
13. Whitham, D.R. Проектирование системы питания постоянного тока для телекоммуникаций; Джон Уайли и сыновья: Пискатауэй, Нью-Джерси, США, 2012 г.; п. 239. [Google Scholar]
14. Томас Б.Р. Справочник Линдена по батареям, 3-е изд.; McGraw-Hill Co. Inc.: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 2002 г.; стр. 35, 69. [Google Scholar]
15. Takahashi, M.; Shodai, T. Характеристики подзарядки литий-ионных аккумуляторов с катодом LiFePO ₄ . Электрохимия 2010 , 78, 342–344. [Google Scholar] [CrossRef]
16. Matsushita Battery Industrial Co. Ltd. Технический справочник по герметичным кислотным батареям 2000; Panasonic: Токио, Япония, 2000 г.; п. 64. [Google Академия]
17. Йиа, Дж.; Кооа, Б.; Шина, CB; Ханб, Т .; Парк, С. Моделирование влияния старения на электрические и тепловые характеристики литий-ионной батареи при циклическом заряде и разряде постоянным током. вычисл. хим. англ. 2017 , 99, 31–39. [Google Scholar] [CrossRef]
18. Ча, Х.-а.; Гонг, С.-а.; Парк, И.-л. Разработка технологии ТЭО литий-ионных аккумуляторов для атомных электростанций; КИНС/HR-1219; Корейский институт ядерной безопасности: Сеул, Корея, 2012 г.; Том 11, с. 5. [Google Академия]
19. Рекомендованная практика IEEE для определения размеров свинцово-кислотных аккумуляторов для стационарных приложений; стандарт IEEE 485-1997; Институт инженеров по электротехнике и электронике, Inc.: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 1997 г.; стр. 9–12.
20. Песаран, А.; Сантанагопалан, С.; Ким, Г.-И. Устранение влияния экстремальных температур на литий-ионные аккумуляторы большого формата для транспортных средств. В материалах 30-го Международного семинара по батареям, Ft. Лодердейл, Флорида, США, 11–14 марта 2013 г. [Google Scholar]
21. Бандхауэр, Т.М.; Гаримелла, С.; Фуллер, Т.Ф. Критический обзор тепловых проблем литий-ионных аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 2011 , 158, Р1–Р25. [Google Scholar] [CrossRef]
22. Ян С.; Дэн, К.; Чжан, Ю .; Хе, Ю. Оценка состояния заряда литий-ионной батареи с помощью модели с температурной компенсацией. Энергии 2017 , 10, 1560. [Google Scholar] [CrossRef]
23. Чжан Р.; Ся, Б.; Ли, Б.; Цао, Л.; Лай, Ю.; Чжэн, В .; Ван, Х .; Ван, В .; Ван М. Исследование напряжения разомкнутой цепи и характеристики заряда литий-ионной батареи большой емкости при различных температурах. Энергии 2018 , 11, 2408. [Google Scholar] [CrossRef]
24. Чжао, Дж.; Гао, Ю.; Го, Дж.; Чу, Л.; Берк, А.Ф. Испытание срока службы литиевых батарей: влияние выравнивания нагрузки. Междунар. Дж. Электрохим. науч. 2018 , 13, 1773–1786. [Google Scholar] [CrossRef]
25. Мацудаа Т.; Андоа, К.; Мёджина, М .; Мацумотоб, М .; Санадаб, Т .; Такаоб, Н .; Имаиб, Х .; Имамураа, Д. Исследование влияния температуры на механизм деградации коммерческих литий-ионных элементов никель-марганцево-кобальтового типа во время длительных циклических испытаний. J. Хранение энергии 2019 , 21, 665–671. [Google Scholar] [CrossRef]
26. IEEE std. 946-1992, Рекомендуемая практика IEEE для проектирования систем вспомогательного питания постоянного тока для электростанций. Доступно в Интернете: https://ieeexplore.ieee.org/document/213720 (по состоянию на 27 марта 2019 г.).
27. Зар М.С. Белая книга рабочей группы по использованию стандартных критериев IEEE 384-1992 для независимости оборудования и цепей класса 1E. В материалах симпозиума IEEE по ядерной науке 1994 г. — NSS’94, Норфолк, Вирджиния, США, 30 октября – 5 ноября 1994. [Google Scholar]
28. Regulatory Guide 1.75, Physical Independence of Electric Systems, Revision 3. Доступно в Интернете: https://www.nrc.gov/docs/ML0436/ML043630448.pdf (по состоянию на 27 марта 2019 г.).
29. КЕПИК. Установка Проектирование и установка литий-ионных аккумуляторов для стационарных приложений; ЭЭГ 1400; Корейская электрическая ассоциация: Сеул, Корея, 31 декабря 2017 г. ; стр. 7–10. [Google Scholar]
30. Рекомендованная практика IEEE по техническому обслуживанию, тестированию и замене вентилируемых свинцово-кислотных аккумуляторов для стационарных приложений; Стандарт IEEE 450-1995; Институт инженеров по электротехнике и электронике, Inc.: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 1995 г.; стр. 7–11.
31. Технические характеристики батареи, модуль батареи Kokam серии KBM ‘KBM2P17S, Kokam, Сувон, Корея. Доступно в Интернете: http://kokam.com/wp-content/uploads/2016/03/Kokam-Battery-Module-216-Series-Brochure1.pdf (по состоянию на 27 марта 2019 г.).
32. Технические характеристики батареи, стационарная залитая трубчатая свинцово-кислотная батарея типа Global OPZS, серия PS, вер. 110210, Global Battery, Чанг-вун, Корея. Доступно на сайте: www.gbattery.com/download? unit=product_english&id=10&no=0 (по состоянию на 27 марта 2019 г.)).

Рисунок 1.
Зарядное напряжение и разрядная емкость литий-ионного аккумулятора.

Рис. 1.
Зарядное напряжение и разрядная емкость литий-ионного аккумулятора.

Рисунок 2.
Зарядные характеристики (1,75 А, 4,2 В CCCV) элемента Sanyo UR 18650E LiCoO ₂ /графит. Температура указана в легенде. (Предоставлено Санио).

Рисунок 2.
Зарядные характеристики (1,75 А, 4,2 В CCCV) Sanyo UR 18650E LiCoO ₂ /графитовая ячейка. Температура указана в легенде. (Предоставлено Санио).

Рисунок 3.
Типичные кривые разряда свинцово-кислотных аккумуляторов при 25 °C.

Рис. 3.
Типичные кривые разряда свинцово-кислотных аккумуляторов при 25 °C.

Рисунок 4.
Сравнение кривых расхода, рассчитанных по моделированию и измеренных экспериментально. Скорость разряда составляет 1 C, 3 C и 5 C после ( a ) 1000, ( b ) 3000 циклов.

Рис. 4.
Сравнение кривых расхода, рассчитанных по моделированию и измеренных экспериментально. Скорость разряда составляет 1 C, 3 C и 5 C после ( a ) 1000, ( b ) 3000 циклов.

Рисунок 5.
Относительная емкость и температура литий-ионной батареи.

Рис. 5.
Относительная емкость и температура литий-ионной батареи.

Рисунок 6.
Результат установки емкости в диапазоне 0~45 °C.

Рисунок 6.
Результат установки емкости в диапазоне 0~45 °C.

Рисунок 7.
Зависимость OCV-SOC батареи при разных температурах.

Рис. 7.
Зависимость OCV-SOC батареи при разных температурах.

Рисунок 8.
Кривые снижения емкости для модуля LiNiCoAl, когда модуль разряжался со скоростью C/2,7 при комнатной температуре (25 °C).

Рис. 8.
Кривые снижения емкости для модуля LiNiCoAl, когда модуль разряжался со скоростью C/2,7 при комнатной температуре (25 °C).

Рисунок 9.
Кривые сохранения емкости при различной скорости тока разряда 1 C (сплошные кружки) и C/20 (светлые квадраты) при 25 °C в зависимости от номера цикла.

Рис. 9.
Кривые сохранения емкости при различной скорости тока разряда 1 C (сплошные кружки) и C/20 (светлые квадраты) при 25 °C в зависимости от номера цикла.

Таблица 1.
Напряжение литий-ионного аккумулятора.

Таблица 1.
Напряжение литий-ионного аккумулятора.

Тип батареи	Напряжение [В]			Область применения
	Самая низкая	Номинальная	Макс.
LiCoO 2	3.0	3.6	4.2	Cell phones, tablets
LiMn 2 O 4	3.0	3. 7	4.2	Medical equipment , трамвай
LiNiMnCoO 2	3.0	3.6	4.2	Electric vehicles, industrial
LiFePO 4	2.5	3.2	3.65	High current load battery
LiNiCoAlO 2	3.0	3.6	4.2	Industrial, tram
Li 4 Ti 5 O 12	1. 8	2.4	2,85	Источник бесперебойного питания (ИБП) трамвая

Таблица 2.
Сравнение вторичных батарей.

Таблица 2.
Сравнение вторичных батарей.

Список небезопасной нагрузки 125 В постоянного тока атомной электростанции с водо-водяным реактором (PWR).

Таблица 3.
Список небезопасной нагрузки 125 В постоянного тока атомной электростанции с водо-водяным реактором (PWR).

Описание нагрузки	Ток нагрузки (A)
	0 ~ 1 мин	1 ~ 30 мин	30 ~ 120 мин. System (CVCS)	3.14	3.14	3.14
Local Annunciator	31.75	31.75	31.75
Emergency Lighting	55. 2	55.2	55.2	55.2
FW Pump TBN Emergency Lube Oil Pump Motor	136.85	39.1	39.1
Miscellaneous Valve	15.93	15.93	15.93	15,93
Распределительные устройства среднего и низкого напряжения	96,3	26,5	26,5
0 Инверторный погрузчик 32	1092. 0	1092.0	87	87
Total	1431.17	1263.62	258.62	142.2

Table 4.
Эквивалентная свинцово-кислотная батарея.

Таблица 4.
Эквивалентная свинцово-кислотная батарея.

Описание	Рейтинг
Время разряда	4 ч
Battery Cell Capacity [10 h rate]	3600 Ah (1800 Ah × 2 parallel)
Nominal Cell Voltage	2. 0 V
Cell End Voltage	1.81 V
Battery System Voltage	125 V
Минимальное напряжение	105 В
Максимальное напряжение	140 В
Номера 9063 2
из ячейки
из ячейки
из ячейки 9063 2
. 0632	19,7 м 2

Таблица 5.
Спецификация литий-ионного аккумулятора.

Таблица 5.
Спецификация литий-ионного аккумулятора.

6 C-9 Пиковая разрядка 3

Description	Rating	Description	Rating
Nominal Cell Voltage	3.7 V	System Nominal Voltage	125.8 V
Cell Min. Напряжение	3,0 (3,09 *) В	Минимальное напряжение системы	102 (105 *) В
Макс. Напряжение	4,2 В	Система Максимальное напряжение	142,8 В
Келковая емкость	75 AH	Время резервного копирования	4 H	Время резервного копирования	4 H	. )	Максимальная скорость непрерывной зарядки C	1 C
Количество модулей в ячейке	10 (2 S × 5 P)	Максимальная непрерывная разрядка C-скорость	1 C
Количество ячеек (энергия)	3 (283 кВтч)

[Примечание] * Напряжение окончания разряда системы постоянного тока.

© 2019 автор. Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Что такое показатель C батареи и как рассчитать показатель C

Скорость заряда и разряда батареи A контролируется параметрами C Rates батареи. Рейтинг батареи C — это измерение тока, при котором батарея заряжается и разряжается. Емкость батареи обычно оценивается и маркируется как 1C Rate (ток 1C), это означает, что полностью заряженная батарея емкостью 10 Ач должна обеспечивать 10 ампер в течение одного часа. Та же самая батарея емкостью 10 Ач, разряженная при рейтинге C 0,5C, обеспечит ток 5 А в течение двух часов, а при разряде при токе 2C — 20 А в течение 30 минут. Важно знать рейтинг C батареи, так как для большинства батарей доступная запасенная энергия зависит от скорости тока заряда и разряда.

ТАБЛИЦА СКОРОСТИ C АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

В приведенной ниже таблице показаны различные значения C для аккумуляторов, а также время их службы. Важно знать, что даже при том, что при разрядке батареи с разной скоростью C должны использоваться одни и те же расчеты для одинакового количества энергии, в действительности вероятны некоторые внутренние потери энергии. При более высоких скоростях C часть энергии может быть потеряна и превращена в тепло, что может привести к снижению емкости на 5% и более.

Чтобы получить достаточно хорошие показания емкости, производители обычно оценивают щелочные и свинцово-кислотные батареи как очень низкую температуру 0,05°C или 20-часовую разрядку. Даже при такой медленной скорости разряда свинцово-кислотные батареи редко достигают 100-процентной емкости, поскольку характеристики аккумуляторов переоценены. Производители предоставляют поправки на емкость для корректировки несоответствий, если они разряжаются с более высоким уровнем содержания углерода, чем указано.

КАК РАССЧИТАТЬ C-РЕЙТИНГ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

C-рейтинг батареи определяется скоростью времени, в течение которого она заряжается или разряжается. Вы можете увеличить или уменьшить C Rate, и в результате это повлияет на время, необходимое для зарядки или разрядки аккумулятора. Время заряда или разряда C Rate изменяется в зависимости от рейтинга. 1C соответствует 60 минутам, 0,5C — 120 минутам, а рейтинг 2C — 30 минутам.

Формула проста.

 t = Время
Cr = C Скорость
t = 1 / Cr (для просмотра в часах)
t = 60 минут / Cr (для просмотра в минутах) 

0,5C Пример

• 2300MAH Аккумулятор
• 2300MAH / 1000 = 2,3A
• 0,5C x 2,3A = 1,15A доступно
• 1 / 0,5C = 2 часа
• 60 / 0,5C = 12078 9009 900C = 2 часа
• 60 / 0,5C = 120 минут

9009 9009 9009 9009 900.

2C Rate Example

• 2300mAh Battery
• 2300mAh / 1000 = 2.3A
• 2C x 2.3A = 4.6A available
• 1 / 2C = 0.5 hours
• 60 / 2C = 30 minutes

30C Rate Example

• Аккумулятор 2300 мАч
• 2300 мА·ч / 1000 = 2,3 A
• 30C x 2,3 A = 69 A доступно
• 60 / 30C = 2 минуты

приведенная ниже формула для расчета выходного тока, мощности и энергии батареи на основе ее рейтинга C.

 Er = Номинальная энергия (Ач)
Cr = C Скорость
I = ток заряда или разряда (Ампер)
I = Кр * Эр
Cr = I / Er 

КАК ОПРЕДЕЛИТЬ НОМИНАЛ C АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Аккумуляторы меньшего размера обычно оцениваются по рейтингу 1C, который также известен как часовой рейтинг. Например, если ваша батарея имеет маркировку 3000 мАч при часовой ставке, то рейтинг 1C составляет 3000 мАч. Как правило, вы найдете показатель C вашей батареи на ее этикетке и в паспорте батареи. Различные химические составы аккумуляторов иногда показывают разные показатели C, например, свинцово-кислотные аккумуляторы обычно рассчитаны на очень низкую скорость разряда, часто 0,05C, или 20-часовую скорость. Химический состав и конструкция вашей батареи будут определять максимальную скорость разряда вашей батареи, литиевые батареи, например, могут выдерживать гораздо более высокие скорости разрядки, чем другие химические вещества, такие как щелочные. Если вы не можете найти рейтинг батареи C на этикетке или в техническом паспорте, мы рекомендуем обратиться непосредственно к производителю батареи.

Емкость литиевой батареи по сравнению со свинцово-кислотной при различных токах разряда

ПРИЛОЖЕНИЯ, ТРЕБУЮЩИЕ ВЫСОКОГО СКОРОСТИ C

На рынке появляется все больше приложений и устройств, для которых требуются батареи с высоким значением C Rate. К ним относятся промышленные и потребительские приложения, такие как радиоуправляемые модели, дроны, робототехника и устройства для запуска транспортных средств. Все эти приложения требуют мощного выброса энергии за короткий промежуток времени.

Для большинства пусковых устройств может потребоваться скорость разряда до 35°C, а в радиоуправляемой промышленности используются аккумуляторы с высокой скоростью разряда, используемые при температуре до 50°C! На рынке есть некоторые батареи, которые заявляют о еще более высоких скоростях C, основанных на максимальной скорости импульсного разряда, которая требует, чтобы батарея достигла полной разрядки всего за несколько секунд. Однако большинству приложений не нужны такие высокие скорости C.

Если вам нужна помощь в поиске подходящей батареи для вашего приложения, свяжитесь с одним из инженеров Power Sonic.

Категории: Блог,
Батареи

ИЩЕТЕ ЛУЧШУЮ ЖИЗНЬPO4?

Power Sonic предлагает на выбор полную линейку качественных и надежных аккумуляторов LiFePO4. Каким бы ни было ваше приложение, у Power Sonic есть подходящая батарея для вас.

Батареи LiFePO4

Вас также может заинтересовать…

Как ухаживать за аккумулятором SLA

Категории: Аккумуляторы,
Уход

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA) использовались для питания сотен устройств с 1850-х годов и продолжают использоваться сегодня. К сожалению…

Подробнее…

Компоненты аккумуляторной системы накопления энергии

Категории: Блог,
Эвеско

Аккумуляторная батарея играет важную роль в современном энергетическом балансе. А также аккумуляторы для коммерческих и промышленных применений…

Подробнее…

Крупногабаритные литиевые батареи: не повредят ли они моему рекреационному приложению?

Категории: Блог,
батареи,
Литий

Рассматривая приложения для силовых видов спорта и отдыха, мы обычно думаем о пусковых приложениях. Это может быть запуск двигателя…

Подробнее…

Обещание бренда Power Sonic

Качество

Изготовленные с использованием новейших технологий и под строгим контролем качества, наши аккумуляторы отличаются превосходной производительностью и надежностью.

Опыт

Наш целенаправленный подход к исключительному комплексному обслуживанию клиентов отличает нас от конкурентов. От запроса до доставки и всего, что между ними, мы регулярно превосходим ожидания наших клиентов.

Служба

Доставка вовремя, каждый раз по спецификации заказчика. Мы гордимся тем, что предлагаем индивидуальные сервисные решения, точно соответствующие спецификациям наших клиентов.

Интерпретация параметров аккумуляторов и листов спецификаций

Аккумуляторы являются конечным коммерческим продуктом, который поставляется клиентам и для которого требуются некоторые данные, предоставляемые производителями, чтобы позволить клиентам оценить производительность различных типов аккумуляторов с точки зрения номинальной емкости, допустимого DOD и диапазоны рабочих температур. Большинство спецификаций содержат некоторые кривые, которые проектировщик фотоэлектрических систем должен уметь интерпретировать в соответствии с передовыми методами проектирования.

В этом разделе мы обсудим основные параметры аккумуляторов и основные факторы, влияющие на работу аккумулятора.

Первыми важными параметрами являются номинальные напряжение и емкость аккумулятора.

Каждая батарея имеет определенное напряжение и емкость. Как кратко обсуждалось ранее, внутри каждой батареи есть ячейки, которые формируют уровень напряжения , и это номинальное напряжение батареи является номинальным напряжением, при котором батарея должна работать.

Емкость относится к количеству заряда, которое батарея может обеспечить при номинальном напряжении, которое прямо пропорционально количеству электродного материала в батарее.

Единицей измерения емкости аккумулятора является ампер-час или ампер-час, обозначаемый как (Ач). Емкость также может быть выражена через энергоемкость батареи. Энергоемкость представляет собой номинальное напряжение батареи в вольтах, умноженное на емкость батареи в ампер-часах, что дает общую энергетическую емкость батареи в ватт-часах (Втч). В общем, это общее количество энергии, которое может хранить устройство.

Вам должно быть интересно, какое значение имеют ампер-часы как единица емкости батареи? Само устройство дает нам некоторые важные подсказки о свойствах батареи. Совершенно новая батарея емкостью 100 ампер-часов теоретически может обеспечивать ток силой 1 А в течение 100 часов при комнатной температуре. На практике это не так из-за нескольких факторов, как мы увидим позже.

C-рейтинг

Перейдем к другому важному параметру батареи, который называется C-рейтинг. C-rate — скорость разряда батареи относительно ее емкости. «Число» C-скорости — это не что иное, как ток разряда, при котором батарея разряжается, сверх номинальной емкости батареи. Он рассчитывается следующим образом:

«Число» C=IdisCnon

Где

«I _dis » — ток разряда

«C _non » — номинальная емкость аккумулятора

Скорость разряда иногда называется C/»число», и это число представляет собой количество часов, которое требуется аккумулятору для полной разрядки. Другими словами, это инверсия предыдущего обозначения, и оно рассчитывается следующим образом:

CI «Число»=CnonIdis

Например, C-скорость 1C для батареи емкостью 100 Ач будет соответствовать току разряда 100 А в течение 1 часа. Или это может быть представлено как C/1. С другой стороны, C-скорость 2C для той же батареи будет соответствовать разрядному току 200 А в течение получаса. Или его можно представить как C/0,5. Точно так же C-скорость 0,05C подразумевает разрядный ток 5 А в течение 20 часов. Или он может быть представлен как C/20. Наконец, та же батарея может быть разряжена током 1 А в течение 100 часов, что соответствует 0,01°C или C/100. В общем, C-rate зависит от зарядного и разрядного тока.

Эффективность

Поскольку не существует системы преобразования энергии со 100% КПД, термин эффективность представляет собой способность системы передавать энергию от входа системы к выходу. Каждый тип батареи имеет разный рейтинг эффективности, как описано в EME 812 (9.3. Хранение батареи — Таблица 9.1), и обычно мы говорим об эффективности как заряда, так и разряда.

Эффективность батареи — это отношение общего входа системы хранения к общему выходу системы хранения. Например, если при зарядке в батарею закачивается 10 кВтч, а при разрядке можно эффективно извлечь только 8 кВтч, то КПД системы хранения туда и обратно составляет 80%.

Давайте обсудим еще один важный параметр батареи, состояние заряда или SOC . Он определяется как процент емкости батареи, доступной для разрядки, поэтому, таким образом, батарея с номинальной емкостью 100 Ач, которая была разряжена на 20 Ач, имела SOC 80%. Еще одним параметром, дополняющим SOC, является глубина разряда или DOD , которая представляет собой процент емкости аккумулятора, который был разряжен. Таким образом, батарея емкостью 100 Ач, которая была разряжена на 20 Ач, имеет DOD 20%. Другими словами, DOD и SOC дополняют друг друга.

Теперь мы подошли к очень важному параметру: циклов жизни батареи. Срок службы определяется как количество циклов зарядки и разрядки, после которых емкость аккумулятора падает ниже 80% от номинального значения. Обычно срок службы указывается в виде абсолютного числа. Однако, если быть более точным, на срок службы и другие параметры батареи влияет изменение условий окружающей среды, таких как температура в данном случае.

Так какая связь между параметрами батареи? Срок службы сильно зависит от глубины разряда. Это можно увидеть на рис. 3.6 для типичной залитой свинцово-кислотной батареи. Если мы посмотрим на эффективную емкость свинцово-кислотной батареи при разной глубине разряда (DOD), то увидим, что число циклов уменьшается по мере увеличения DOD.

Рисунок 3.6: Эффективная емкость (%) в зависимости от количества циклов при различных значениях глубины разряда для залитой свинцово-кислотной батареи.

Авторы и права: Разработано с использованием SAM

Срок службы также зависит от температуры. Батарея работает дольше при более низких температурах эксплуатации. Кроме того, из рис. 3.6 видно, что при определенной температуре продолжительность цикла нелинейно зависит от глубины разряда. Чем меньше DOD, тем выше срок службы цикла. Однако такой более высокий срок службы также будет означать, что те дополнительные циклы, которые вы получаете, могут помочь вам только при меньшей глубине разряда. Таким образом, можно сказать, что батарея прослужит дольше, если средний DOD можно будет уменьшить по сравнению с ее нормальной работой. Кроме того, следует строго контролировать перегрев батареи. Перегрев может произойти из-за перезарядки и последующего перенапряжения свинцово-кислотной батареи. Мы узнаем больше о напряжении и контроле заряда батареи в следующем разделе.

Хотя срок службы батареи увеличивается при более низких температурах, необходимо учитывать еще один эффект. Температура также влияет на емкость аккумулятора при обычном использовании. Как видно на рисунке 3.7, чем ниже температура, тем ниже емкость аккумулятора. Чем выше температура, тем выше емкость аккумулятора.

Рисунок 3.7: эффективная емкость (%) в зависимости от температуры для залитой свинцово-кислотной батареи

Авторы и права: разработано с использованием SAM

Reflection

Почему емкость увеличивается с температурой?

Щелкните для ответа. ..

ОТВЕТ: Это связано с тем, что при высоких температурах химические вещества в аккумуляторе более активны, и, следовательно, химическая активность увеличивает емкость аккумулятора. Наоборот, химическая активность снижается при более низких температурах, которые снижают емкость

Факторы старения батареи

Это может показаться ненаучным, но даже при высоких температурах возможно достичь выше номинальной емкости батареи. Однако такие высокие температуры серьезно вредят здоровью батареи.

Когда мы говорим, что срок службы батареи ограничен или что она полностью «разряжена», что именно это означает? Связано ли это с эффектом старения свинцово-кислотного аккумулятора?

Есть несколько факторов, которые способствуют старению любой батареи. Сульфатация является одной из основных причин старения. И если батарея не полностью заряжена после сильного разряда, это приводит к росту кристаллов сульфата, которые не могут быть полностью преобразованы обратно в свинец или оксид свинца. В результате батарея медленно теряет массу активного материала и, следовательно, разрядная емкость будет ниже. Коррозия свинцовой сетки на электроде является еще одним распространенным фактором старения. Это приводит к увеличению сопротивления сетки из-за высоких положительных потенциалов.

Двигаясь дальше, когда батарея теряет влагу, это вызывает высыхание электролита, что происходит при высоких зарядных напряжениях, что приводит к потере воды. Это называется эффектом выделения газа и может ограничить срок службы батареи. Об этом следует позаботиться при плановом техническом обслуживании путем добавления в аккумулятор дистиллированной воды.

Исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные батареи для солнечных систем с очень длительным сроком службы. Тем не менее, это также продукты высокого класса и могут быть более дорогими.

Reflection

Как определить, предпочтительна ли батарея необслуживаемого типа, если она предназначена для фотоэлектрических приложений?

Щелкните для ответа.