So lesen Sie die Batterieentladekurve

So lesen Sie die Batterieentladekurve

Batterien sind komplexe elektrochemische und thermodynamische Systeme, deren Leistung von mehreren Faktoren beeinflusst wird. Natürlich ist die Batteriechemie der wichtigste Faktor. Um herauszufinden, welcher Batterietyp für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, müssen jedoch auch Faktoren wie Lade-Entladerate, Betriebstemperatur, Lagerbedingungen und Details der physikalischen Struktur berücksichtigt werden. Zunächst müssen mehrere Begriffe definiert werden:

★ Die Leerlaufspannung (Voc) ist die Spannung zwischen den Batterieklemmen, wenn die Batterie nicht belastet wird.

★ Die Klemmenspannung (Vt) ist die Spannung zwischen den Batterieklemmen, wenn die Batterie belastet wird. Normalerweise niedriger als Voc.

Die Abschaltspannung (Vco) ist die Spannung, bei der die Batterie wie angegeben vollständig entladen ist. Obwohl in der Regel noch Restbatterieleistung vorhanden ist, kann der Betrieb bei einer Spannung unter Vco zu Schäden an der Batterie führen.

★ Die Kapazität misst die gesamten Amperestunden (AH), die eine Batterie bei voller Ladung liefern kann, bis Vt Vco erreicht.

Die Lade-Entlade-Rate (C-Rate) ist die Rate, mit der eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Nennkapazität geladen oder entladen wird. Beispielsweise lädt oder entlädt ein Ladestrom von 1 °C den Akku innerhalb einer Stunde vollständig. Bei einer Entladerate von 0,5 °C ist der Akku innerhalb von 2 Stunden vollständig entladen. Die Verwendung einer höheren C-Rate verringert normalerweise die verfügbare Batteriekapazität und kann zu Schäden an der Batterie führen.

★ Der Batterieladezustand (SoC) beziffert die verbleibende Batteriekapazität in Prozent der maximalen Kapazität. Wenn SoC Null erreicht und Vt Vco erreicht, ist möglicherweise noch verbleibende Batterieleistung in der Batterie vorhanden, aber ohne die Batterie zu beschädigen und die zukünftige Kapazität zu beeinträchtigen, kann die Batterie nicht weiter entladen werden.

★ Die Entladetiefe (DoD) ist eine Ergänzung zum SoC, der den Prozentsatz der Batteriekapazität misst, der entladen wurde. DoD=100-SoC.

① Die Zyklenlebensdauer ist die Anzahl der verfügbaren Zyklen, bevor die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht.

Das Ende der Batterielebensdauer (EoL) bezieht sich auf die Unfähigkeit der Batterie, gemäß den vorgegebenen Mindestspezifikationen zu arbeiten. EoL kann auf verschiedene Arten quantifiziert werden:

① Der Kapazitätsabfall basiert auf der angegebenen prozentualen Abnahme der Batteriekapazität im Vergleich zur Nennkapazität unter bestimmten Bedingungen.

② Die Leistungsdämpfung basiert auf der maximalen Leistung der Batterie bei einem bestimmten Prozentsatz im Vergleich zur Nennleistung unter bestimmten Bedingungen.

③ Der Energiedurchsatz quantifiziert die Gesamtenergiemenge, die eine Batterie während ihrer Lebensdauer voraussichtlich verarbeiten wird, beispielsweise 30 MWh, basierend auf bestimmten Betriebsbedingungen.

★ Der Gesundheitszustand (SoH) der Batterie misst den Prozentsatz der verbleibenden Nutzungsdauer bis zum Erreichen des EoL.

Polarisationskurve

Die Batterieentladekurve wird basierend auf dem Polarisationseffekt der Batterie gebildet, der während des Entladevorgangs auftritt. Die Energiemenge, die eine Batterie unter verschiedenen Betriebsbedingungen wie C-Rate und Betriebstemperatur liefern kann, hängt eng mit der Fläche unter der Entladekurve zusammen. Während des Entladevorgangs sinkt die Vt der Batterie. Der Rückgang von Vt hängt mit mehreren Hauptfaktoren zusammen:

✔ IR-Abfall – Der Abfall der Batteriespannung, der durch den Strom verursacht wird, der durch den Innenwiderstand der Batterie fließt. Dieser Faktor steigt bei relativ hoher Entladerate und konstanter Temperatur linear an.

✔ Aktivierungspolarisation – bezieht sich auf verschiedene Verzögerungsfaktoren im Zusammenhang mit der Kinetik elektrochemischer Reaktionen, beispielsweise die Austrittsarbeit, die Ionen an der Verbindung zwischen Elektroden und Elektrolyten überwinden müssen.

✔ Konzentrationspolarisation – Dieser Faktor berücksichtigt den Widerstand, dem Ionen beim Stofftransfer (Diffusion) von einer Elektrode zur anderen ausgesetzt sind. Dieser Faktor überwiegt bei vollständig entladenen Lithium-Ionen-Batterien und der Anstieg der Kurve wird sehr steil.

Die Polarisationskurve (Entladekurve) der Batterie zeigt die kumulativen Auswirkungen der IR-Abnahme, der Aktivierungspolarisation und der Konzentrationspolarisation auf Vt (Batteriepotential). (Bild: BioLogic)

Überlegungen zur Entladungskurve

Batterien wurden für ein breites Anwendungsspektrum entwickelt und bieten unterschiedliche Leistungsmerkmale. Beispielsweise gibt es mindestens sechs grundlegende chemische Lithium-Ionen-Systeme, jedes mit seinem eigenen einzigartigen Funktionsumfang. Die Entladungskurve wird normalerweise mit Vt auf der Y-Achse aufgetragen, während SoC (oder DoD) auf der X-Achse aufgetragen wird. Aufgrund der Korrelation zwischen der Batterieleistung und verschiedenen Parametern wie C-Rate und Betriebstemperatur weist jedes chemische Batteriesystem eine Reihe von Entladekurven auf, die auf spezifischen Betriebsparameterkombinationen basieren. Die folgende Abbildung vergleicht beispielsweise die Entladeleistung zweier gängiger chemischer Lithium-Ionen-Systeme und Blei-Säure-Batterien bei Raumtemperatur und einer Entladerate von 0,2 °C. Die Form der Entladungskurve ist für Konstrukteure von großer Bedeutung.

Eine flache Entladekurve kann bestimmte Anwendungsdesigns vereinfachen, da die Batteriespannung über den gesamten Entladezyklus relativ stabil bleibt. Andererseits kann die Steigungskurve die Schätzung der Restladung vereinfachen, da die Batteriespannung eng mit der Restladung der Batterie zusammenhängt. Bei Lithium-Ionen-Batterien mit flachen Entladekurven erfordert die Schätzung der Restladung jedoch komplexere Methoden wie die Coulomb-Zählung, die den Entladestrom der Batterie misst und den Strom über die Zeit integriert, um die Restladung abzuschätzen.

Darüber hinaus kommt es bei Batterien mit abfallenden Entladekurven zu einem Leistungsabfall während des gesamten Entladezyklus. Um Hochleistungsanwendungen am Ende des Entladezyklus zu unterstützen, ist möglicherweise eine Batterie mit „Übergröße“ erforderlich. Um empfindliche Geräte und Systeme mit Batterien mit steilen Entladekurven zu versorgen, ist in der Regel der Einsatz eines Boost-Spannungsreglers erforderlich.

Das Folgende ist die Entladekurve einer Lithium-Ionen-Batterie, die zeigt, dass die effektive Kapazität abnimmt (oder zunimmt), wenn die Batterie mit einer sehr hohen Rate (oder umgekehrt mit einer niedrigen Rate) entladen wird. Dies wird als Kapazitätsverschiebung bezeichnet und ist bei den meisten Batteriechemiesystemen üblich.

Spannung und Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien nehmen mit zunehmender C-Rate ab. (Bild: Richtek)

Die Arbeitstemperatur ist ein wichtiger Parameter, der die Batterieleistung beeinflusst. Bei sehr niedrigen Temperaturen können Batterien mit wasserbasierten Elektrolyten gefrieren, wodurch die Untergrenze ihres Betriebstemperaturbereichs eingeschränkt wird. Bei Lithium-Ionen-Batterien kann es bei niedrigen Temperaturen zu einer Lithiumablagerung an der negativen Elektrode kommen, wodurch die Kapazität dauerhaft verringert wird. Bei hohen Temperaturen können sich Chemikalien zersetzen und der Akku kann nicht mehr funktionieren. Zwischen Einfrieren und chemischer Beschädigung schwankt die Batterieleistung in der Regel erheblich mit Temperaturänderungen.

Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss unterschiedlicher Temperaturen auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Bei sehr niedrigen Temperaturen kann die Leistung deutlich nachlassen. Allerdings ist die Batterieentladekurve nur ein Aspekt der Batterieleistung. Je größer beispielsweise die Abweichung zwischen der Betriebstemperatur von Lithium-Ionen-Batterien und der Raumtemperatur (ob bei hohen oder niedrigen Temperaturen) ist, desto geringer ist die Zyklenlebensdauer. Für spezifische Anwendungen würde eine vollständige Analyse aller Faktoren, die die Anwendbarkeit verschiedener chemischer Batteriesysteme beeinflussen, den Rahmen der Batterieentladungskurve dieses Artikels sprengen. Ein Beispiel für andere Methoden zur Analyse der Leistung verschiedener Batterien ist das Lagone-Diagramm.

Die Batteriespannung und -kapazität hängen von der Temperatur ab. (Bild: Richtek)

Lagunengrundstücke

Das Lagoon-Diagramm vergleicht die spezifische Leistung und spezifische Energie verschiedener Energiespeichertechnologien. Bei der Betrachtung von Batterien für Elektrofahrzeuge hängt beispielsweise die spezifische Energie von der Reichweite ab, während die spezifische Leistung der Beschleunigungsleistung entspricht.

Ein Ragone-Diagramm, das die Beziehung zwischen spezifischer Energie und spezifischer Leistung verschiedener Technologien vergleicht. (Bild: Researchgate)

Das Lagoon-Diagramm basiert auf Massenenergiedichte und Leistungsdichte und enthält keine Informationen zu Volumenparametern. Obwohl der Metallurge David V. Lagone diese Diagramme entwickelt hat, um die Leistung verschiedener Batteriechemien zu vergleichen, eignet sich das Lagone-Diagramm auch zum Vergleich aller Arten von Energiespeichern und Energiegeräten wie Motoren, Gasturbinen und Brennstoffzellen.

Das Verhältnis zwischen der spezifischen Energie auf der Y-Achse und der spezifischen Leistung auf der X-Achse ist die Anzahl der Stunden, die das Gerät mit Nennleistung arbeitet. Die Größe des Geräts hat keinen Einfluss auf dieses Verhältnis, da größere Geräte über eine proportional höhere Leistungs- und Energiekapazität verfügen. Die isochrone Kurve, die im Lagoon-Diagramm eine konstante Betriebszeit darstellt, ist eine gerade Linie.

Zusammenfassung

Es ist wichtig, die Entladekurve einer Batterie und die verschiedenen Parameter zu verstehen, aus denen sich die Entladekurvenfamilie in Bezug auf die spezifische Batteriechemie zusammensetzt. Aufgrund der komplexen elektrochemischen und thermodynamischen Systeme sind auch die Entladekurven von Batterien komplex, sie dienen jedoch nur dazu, die Leistungskompromisse zwischen verschiedenen Batteriechemien und -strukturen zu verstehen.