Apa karakteristik pengisian dan pengosongan?
Mengisi daya danmemulangkankarakteristik
Baterai litium-ion biasanya menggunakan metode pengisian daya dua-tahap untuk memastikan keamanan, keandalan, dan efisiensi pengisian daya. Tahap pertama adalah arus konstan dengan pembatasan tegangan, dan tahap kedua adalah tegangan konstan dengan pembatasan arus. Batas voltase maksimum untuk mengisi daya baterai litium-ion bervariasi bergantung pada bahan katoda. Kurva tegangan pengisian/pengosongan dasar baterai lithium-ion ditunjukkan pada Gambar 3-11. Kurva pada gambar menggunakan arus pengisian/pengosongan C/3. Untuk baterai lithium-ion yang berbeda, perbedaan utamanya ada dua:
1) Nilai arus konstan optimal untuk tahap pertama bervariasi tergantung pada bahan katoda baterai dan proses pembuatannya. Umumnya, rentang arus 0,2C hingga 0,3C digunakan. Dalam kasus konsumsi daya yang cepat, tingkat 1C, 2C, atau bahkan lebih tinggi dapat digunakan.
2) Baterai litium-ion yang berbeda menunjukkan perbedaan yang signifikan dalam durasi arus konstan, dan proporsi kapasitas yang dapat diisi dengan arus konstan terhadap kapasitas total juga sangat bervariasi. Dari perspektif aplikasi kendaraan listrik praktis, durasi arus konstan yang lebih lama menghasilkan total waktu pengisian yang lebih singkat, sehingga lebih bermanfaat untuk aplikasi.
Tegangan baterai litium-ion stabil dan menurun perlahan pada tahap awal dan pertengahan pengosongan, namun turun dengan cepat pada tahap selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada segmen DE pada Gambar 3-11. Kontrol yang efektif sangat penting pada tahap ini untuk mencegah pengosongan baterai yang berlebihan dan kerusakan permanen.
Faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik pengisian daya
(1) Pengaruharus pengisiantentang karakteristik pengisian daya Mengambil contoh baterai lithium-ion NCM tertentu dengan kapasitas terukur 242A·h sebagai contoh, dalam kondisi SOC=0% dan suhu konstan 20 derajat , kecepatan pengisian daya yang berbeda digunakan untuk pengisian daya. Hasil parameter ditunjukkan pada Tabel 3-1 dan kurva pengisian ditunjukkan pada Gambar 3-12.
Tabel 3-1 Parameter Pengisian Daya untuk Tarif Pengisian Berbeda
| Saat Ini/A(Tarif) | CC-CV①Total Waktu | Waktu Saat Ini Konstan/dtk | Total Kapasitas yang Dibebankan/A·h | Total Energi yang Dibebankan/W·h | Kapasitas Pengisian Arus Konstan/A·h | Tegangan Konstan Energi Berisi/W·h | 170A·hWaktu/dtk | 170A·hSaat ini/A |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4.84/(0.02C) | 182220 | 182220 | 245.74 | 942.54 | 245.74 | 942.54 | 127400 | 4.85 |
| 12.1/(0.05C) | 72318.5 | 72318.5 | 243.70 | 935.37 | 243.70 | 935.37 | 50400 | 12.11 |
| 24.2/(0.1C) | 36206.8 | 35800 | 243.20 | 935.77 | 241.03 | 926.69 | 25200 | 24.24 |
| 48.4/(0.2C) | 18317.5 | 17560 | 241.08 | 933.32 | 236.32 | 912.16 | 12600 | 48.44 |
| 80.7/(0.33C) | 11443.6 | 10490 | 243.50 | 946.27 | 235.29 | 910.08 | 7590 | 80.76 |
| 121/(0.5C) | 7936.6 | 6900 | 243.92 | 952.95 | 232.09 | 900.85 | 5110 | 121.09 |
① CC, Arus Konstan; CV, Tegangan Konstan.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3-1, waktu arus konstan berkurang secara bertahap seiring dengan meningkatnya arus pengisian, dan kapasitas serta energi yang dapat diisi pada arus konstan juga menurun secara bertahap. Dengan mengambil kapasitas pengisian dan pengosongan 1/2 (yaitu, SOC=50%) sebagai standar, waktu pengisian daya yang diperlukan berkurang seiring dengan meningkatnya arus pengisian; waktu yang dibutuhkan untuk 0,1C kira-kira 5 kali lipat dari waktu yang diperlukan untuk 0,5C. Dalam kondisi ini, perbedaan arus untuk pengisian lanjutan adalah kecil, sehingga waktu pengisian untuk 30A·jam terakhir tidak berbeda secara signifikan. Oleh karena itu, dalam batas arus pengisian yang diizinkan baterai, meningkatkan arus pengisian, meskipun mengurangi kapasitas dan energi yang dapat diisi pada arus konstan, membantu mengurangi waktu pengisian secara keseluruhan. Dalam aplikasi paket baterai praktis, arus pengisian maksimum yang diijinkan dari baterai lithium-ion dapat digunakan untuk pengisian daya, dan setelah mencapai batas tegangan, pengisian tegangan konstan dapat dilakukan. Ini mengurangi waktu pengisian daya sekaligus memastikan keamanan pengisian daya. Namun, peningkatan arus pengisian juga akan menyebabkan peningkatan kehilangan energi karena hambatan internal baterai. Energi yang dikonsumsi dalam resistansi internal dihitung berdasarkan persamaan (3-4).
Dimana E adalah energi yang dikonsumsi oleh resistansi internal;
r adalah resistansi internal baterai;
t adalah variabel waktu pengisian;
I adalah arus pengisian;
t₁ dan t₂ adalah waktu mulai dan berakhirnya pengisian daya.
Pengujian ekstensif telah menunjukkan bahwa resistansi internal baterai litium-ion berubah dalam 0,4 mΩ selama pengisian daya. Oleh karena itu, persamaan (3-4) menunjukkan bahwa konsumsi energi akibat resistansi internal baterai pada dasarnya berhubungan secara linier dengan waktu pengisian, namun berhubungan secara kuadrat dengan arus pengisian. Selama tahap pengisian arus konstan, besarnya arus pengisian merupakan faktor utama yang mempengaruhi konsumsi energi resistansi internal; arus pengisian yang lebih tinggi menghasilkan konsumsi energi yang lebih besar. Selama tegangan konstan, tahap arus rendah, waktu pengisian menjadi faktor utama yang mempengaruhi konsumsi energi resistansi internal; waktu pengisian yang lebih lama menghasilkan konsumsi energi yang lebih besar. Mengingat keseluruhan proses pengisian, karena arus pengisian memiliki hubungan kuadrat dengan konsumsi energi resistansi internal dan merupakan faktor utama yang mempengaruhinya, arus pengisian yang lebih tinggi menghasilkan konsumsi energi resistansi internal yang lebih besar. Dalam aplikasi praktis baterai, arus pengisian yang sesuai harus dipilih dengan mempertimbangkan waktu pengisian dan efisiensi secara komprehensif.
(2) Pengaruh Kedalaman Pengosongan pada Karakteristik Pengisian Pada suhu konstan 20 derajat, pengujian pengosongan dilakukan pada baterai litium-ion NCM dengan kapasitas terukur 66,2 A·h. Baterai dikosongkan pada laju 0,5C ke kedalaman pengosongan (DOD) yang berbeda (10%→100%), sesuai dengan State of Charge (SOC) sebesar 90%→0%. Data tegangan, arus, dan kapasitas dicatat selama proses pengosongan. Setelah diistirahatkan selama 60 menit, baterai terisi dengan kecepatan 0,5C (CC). Ketika tegangan pemutusan tercapai, mode pengisian dialihkan ke tegangan konstan (CV). Ketika arus kurang dari 0,05C, proses dihentikan, dan data tegangan, arus, dan kapasitas dicatat. Data yang relevan ditampilkan pada Tabel 3-2. Kurva arus pengisian baterai lithium-ion dalam kondisi kedalaman pengosongan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 3-13.
Tabel 3-2 Parameter Uji Pengisian Daya pada Kedalaman Pelepasan Berbeda
| SOC | DOD | Memulangkan | Mengenakan biaya | Setara-Kapasitas Energi Berisi①/W·h | Setara-Kapasitas Energi yang Dibuang②/W·h | Waktu Pengisian Daya/menit | Waktu Saat Ini Konstan/mnt | Kapasitas Pengisian Arus Konstan/A·h | Kapasitas Unit Waktu Pengisian Rata-rata③/mnt | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kapasitas/A·h | Energi/W·h | Kapasitas/A·h | Energi/W·h | ||||||||
| 80.00 | 20.00 | 13.35 | 54.03 | 13.48 | 55.88 | 27.94 | 27.02 | 41.13 | 33.50 | 12.32 | 3.05 |
| 70.00 | 30.00 | 20.02 | 80.16 | 19.99 | 82.08 | 27.36 | 26.72 | 59.23 | 50.83 | 18.69 | 2.96 |
| 60.00 | 40.00 | 26.69 | 105.62 | 26.61 | 108.19 | 27.05 | 26.41 | 77.72 | 68.50 | 25.19 | 2.92 |
| 50.00 | 50.00 | 33.36 | 130.42 | 33.27 | 133.61 | 26.72 | 26.08 | 96.02 | 86.67 | 31.87 | 2.89 |
| 40.00 | 60.00 | 40.04 | 154.61 | 39.95 | 158.50 | 26.42 | 25.77 | 114.18 | 104.83 | 38.55 | 2.86 |
| 30.00 | 70.00 | 46.71 | 178.38 | 46.61 | 182.97 | 26.14 | 25.48 | 132.28 | 123.00 | 45.22 | 2.84 |
| 20.00 | 80.00 | 53.38 | 201.73 | 53.26 | 207.07 | 25.88 | 25.22 | 150.40 | 141.00 | 51.84 | 2.82 |
| 10.00 | 90.00 | 60.05 | 224.45 | 59.92 | 230.62 | 25.62 | 24.94 | 168.47 | 159.17 | 58.52 | 2.81 |
① Setara-Energi yang Dibebankan Kapasitas: Energi yang dibebankan berdasarkan perubahan SOC yang sama (misalnya, 10%). Misalnya: jika kapasitas pengisian daya pada DOD 90% adalah 30W·h, energi yang diisi-berkapasitas sama adalah 30W·h; jika kapasitas pengisian daya pada DOD 80% adalah 50W·h, energi yang diisi dengan kapasitas yang sama adalah 25W·h.
②-Energi yang Dihabiskan dengan Kapasitas yang Sama: Energi yang dilepaskan pada perubahan SOC yang sama (misalnya, 10%).
③ Waktu Pengisian Rata-rata per Kapasitas Unit /mnt: Waktu Pengisian / Kapasitas Pengisian.
Dari Tabel 3-2 dan Gambar 3-13 dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1) Dengan meningkatnya kedalaman pengosongan, waktu pengisian meningkat, namun rata-rata waktu pengisian per unit kapasitas menurun, artinya peningkatan waktu pengisian tidak sebanding dengan kedalaman pengosongan.
2) Dengan meningkatnya kedalaman pengosongan, proporsi waktu pengisian arus konstan terhadap total waktu pengisian meningkat, dan proporsi kapasitas pengisian arus konstan terhadap kapasitas pengisian yang diperlukan meningkat. Pada kenyataannya, karakteristik ini terutama disebabkan oleh dua faktor: pertama, kedalaman pengosongan yang lebih dalam memerlukan waktu yang lebih lama untuk mengisi daya baterai hingga penuh; kedua, kedalaman pengosongan yang lebih dalam berhubungan dengan rentang tegangan yang lebih rendah, sehingga lebih sedikit energi yang dibebankan ke baterai dalam kondisi arus dan waktu pengisian yang sama.
(3) Pengaruh Suhu terhadap Karakteristik Pengisian Daya Baterai litium-ion diisi pada suhu ruangan yang berbeda. Mengambil baterai lithium-ion NCM 66,2 A·h sebagai contoh, metode pembatasan arus dan tegangan konstan digunakan. Parameter pengisian daya dicatat dengan batas arus pengisian 1,3 A dan 3,3 A, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3-3. Pada arus pelepasan yang sama, tegangan baterai akan mengalami penurunan tajam, seperti terlihat pada Gambar 3-13. Namun karena tegangannya masih relatif tinggi, energi pelepasannya masih tinggi. Pada tahap awal pengosongan, energi yang dikonsumsi oleh resistansi internal baterai meningkatkan suhu baterai, meningkatkan aktivitas bahan aktif baterai lithium-ion, dan meningkatkan tegangan baterai, sehingga meningkatkan energi yang dapat dilepaskan. Pada tahap pengosongan menengah dan akhir, tegangan baterai menurun, dan energi yang dilepaskan per satuan waktu juga menurun.
Pada suhu yang sama dan tegangan terminasi pelepasan yang sama, arus terminasi pelepasan yang berbeda akan mengakibatkan perbedaan kapasitas dan energi yang dilepaskan. Umumnya pada kondisi suhu normal, semakin rendah arusnya, semakin besar kapasitas dan energi yang dilepaskan. Seperti dalam percobaan pelepasan yang disebutkan di atas, 0,2C melepaskan kapasitas dan energi 3,2% lebih banyak daripada 1C.
