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Victron锂离子电池的放电特性

时间:2023-02-02 14:03:03 点击:

Victron锂离子电池的放电特性.

早期的锂离子电池被认为易碎且不适合高负载。这种情况已经改变,如今锂基系统与稳健的镍和铅化学制品并驾齐驱。出现了两种基本类型的锂离子:能量电池和动力电池。

这两种电池类型的性能以储能(也称为容量)和电流输送(也称为负载或功率)为特征。能量和功率特性由电极上的颗粒大小决定。较大的颗粒会增加表面积以获得最大容量,而精细材料会降低表面积以获得高功率。

减小粒径会降低填充空隙的电解质的存在。电池内电解质的体积决定了电池容量。减小粒度会减少颗粒之间的空隙,从而降低电解质含量。电解质太少会降低离子迁移率并影响性能。想一想需要休养才能继续在纸上做标记的干燥毡笔。

锂离子能源电池

锂离子电池专为最大容量而设计,可提供较长的运行时间。松下 NCR18650B 能量电池(图 1)具有高容量,但在 2C 放电时持久性较差。在 3.0V/cell 的放电截止电压下,2C 放电仅产生约 2.3Ah,而不是指定的 3.2Ah。该电池非常适合便携式计算和类似的轻型任务。

Panasonic NCR18650B Energy Cell 的放电特性。
图 1:Panasonic 的 NCR18650B Energy Cell 的放电特性[1]

3,200mAh 能量电池在 0.2C、0.5C、1C 和 2C 下放电。3.0V/cell 线处的圆圈标记 2C 处的放电结束点。

低温损失:

锂离子动力电池

Panasonic UR18650RX Power Cell(图 2)容量适中,但负载能力出色。10A (5C) 放电在 3.0V 截止电压下的容量损失最小。该电池非常适合需要大负载电流的应用,例如电动工具。

松下 UR18650RX 电池的放电特性。
图2:松下UR18650RX Power Cell的放电特性[1]

1950mAh 电池在 0.2C、0.5C、1C 和 2C 以及 10A 下放电。均在约 2000mAh 时达到 3.0V/cell 的截止线。Power Cell 具有中等容量,但提供高电流。

低温损失:

锂离子电池允许 10C 的连续放电。这意味着额定容量为 2,000mAh 的 18650 电池可以提供 20A 的连续负载(使用磷酸锂时为 30A)。卓越的性能部分是通过降低内阻和优化活性电池材料的表面积来实现的。低电阻可在最小温升的情况下实现高电流流动。在最大允许放电电流下运行,锂离子电池会加热至约 50ºC (122ºF);温度限制在 60ºC (140ºF)。

为了满足负载要求,电池组设计人员可以使用电池来满足放电 C 倍率要求,或者选择能量电池并加大电池组的尺寸。Energy Cell 的容量比 Power Cell 多 50%,但负载必须减少。这可以通过加大电池组来实现,这是特斯拉电动汽车使用的一种方法。电池实现了出色的运行时间,但它变得昂贵且笨重。

磷酸铁锂动力电池

磷酸铁锂 (LiFePO4) 也有 18650 规格,可提供高循环寿命和卓越的负载性能,但比能量(容量)低。表 3 比较了常见锂基架构的规格。有关更多信息,请参见 BU-205:锂离子的类型。

化学

标称电压

容量

活力

循环寿命

加载中

笔记

锂离子能源

3.6V/电池

3,200毫安时

11.5Wh

~1000

1C(仅限轻载)

慢充 (<1C)

锂电

3.6V/电池

2,000毫安时

7.2Wh

~1000

5C(连续大负载)

好温度。范围

磷酸铁锂

3.3V/电池

1.200毫安时

3.9瓦时

~2000

25C(非常大的连续负载)

坚固、安全

表 3:使用锂电池架构最大化容量、循环寿命和负载

放电签名

镍基和锂基电池的独特品质之一是能够提供持续的高功率,直到电池耗尽;快速的电化学恢复使之成为可能。铅酸速度较慢,这可以与干燥毡笔进行比较,该笔可以在纸上做短标记,然后需要休息以补充墨水。虽然放电时恢复相对较快,这在启动发动机时可以看出,但缓慢的化学反应在充电时变得明显。这只会随着年龄的增长而变得更糟。

电池可能会像在手电筒中那样在 0.2C 的稳定负载下放电,但许多应用要求瞬时负载为电池 C 额定值的两倍和三倍。手机的 GSM(全球移动通信系统)就是这样一个例子(图 4)。GSM 以 577 微秒 (μs) 的脉冲速率为电池加载高达 2A 的电流。这就对小电池提出了很大的要求;然而,在高频下,电池开始表现得更像一个大电容器,并且电池特性发生变化。

手机的 GSM 放电脉冲
图 4:手机的 GSM 放电脉冲[2]
从电池中提取的 577 微秒脉冲会根据场强进行调整,电流可达 2 安培。

就寿命而言,电池更喜欢恒定放电的中等电流,而不是脉冲或瞬时高负载。图 5展示了 NiMH 电池在不同负载条件下的容量下降情况,从温和的 0.2C 直流放电、模拟放电到脉冲放电。大多数电池在负载条件方面都遵循类似的模式,包括锂离子电池。

NiMH在不同负载条件下的循环寿命
图 5:NiMH 在不同负载条件下的循环寿命 [3]
NiMH 在直流和模拟负载下表现最佳;数字负载会降低循环寿命。锂离子电池的行为类似。

图 6检查了锂离子电池在以不同 C 倍率放电时可以承受的完整循环次数。在 2C 放电时,电池表现出比 1C 高得多的应力,在容量下降到一半水平之前将循环计数限制在大约 450 次。

锂离子能源电池在不同放电水平下的循环寿命
图 6:锂离子电池在不同放电水平下的循环寿命[4]
所有电池的磨损都会随着负载的增加而增加。动力电池比能量电池更坚固。

 

电池放电的简单指南