バッテリーの充電と放電の曲線

バッテリーの充放電プロセスでは、充放電深度が変化すると、電圧も常に変化します。容量を水平座標、電圧を垂直座標として使用すると、バッテリーの電気的性能に関する多くの手がかりを含む単純な充放電曲線が得られます。充放電に関係する時間、容量、SOC、電圧などのバッテリーセルパラメータを座標として描画されたこれらの曲線は、充放電曲線と呼ばれます。ここでは、一般的な充放電曲線をいくつか紹介します。

時間-電流/電圧曲線

● 定電流

定電流充電と放電中は、電流が一定であり、同時にバッテリー端子電圧の変化が収集され、バッテリーの放電特性を検出するためによく使用されます。放電プロセス中、放電電流は変化せず、バッテリー電圧が低下し、放電電力も低下し続けます。サンプル曲線を下図に示します。

●定電流・定電圧（充電）

定電流充電と比較すると、定電流定電圧充電は充電終了時に定電圧プロセスがあります。充電終了時に、電圧は目標値に達すると一定になり、電流は徐々に減少します。カットオフ電流に達すると、定電流定電圧充電は終了します。プラトー期間を離れた後、バッテリー電圧は大きく変動するため、定電流充電を継続すると、バッテリーは理想的なフル充電状態に到達できません。そのため、定電圧に切り替えて電流を減らし、バッテリーが可能な限り高い充電状態に到達するようにする必要があります。サンプル曲線を下図に示します。

● 定電力

充放電プロセス全体は定電力で動作します。P = UIによると、定電力充電中は電圧が徐々に増加し、電流が徐々に減少し、定電力放電中は電圧が徐々に減少し、電流が徐々に増加します。LFPバッテリーの従来の充放電カットオフ電圧3.65〜2.5Vによると、放電終了電流は充電終了電流の約1.5倍に達する可能性があります。例の曲線を下図に示します。

● 連続、断続、パルス

定電流または定電力では、タイミング機能を使用して、連続、断続、およびパルスの充電と放電の制御を実現します。これらの特殊な充電と放電の方式は、バッテリーの DC 内部抵抗を評価するためによく使用されます。サンプル曲線を下の図に示します。

容量-電圧曲線

The horizontal axis of the capacity-voltage curve reflects the battery's charge and discharge capacity, state of charge and other information, while the vertical axis includes the battery's voltage platform, inflection point, polarization and other information. The figure below is a discharge curve of a lithium iron phosphate battery at different temperatures.

Rate curve

The current density affects the rate of electrochemical reaction, thus changing the performance parameters of the battery. When comparing batteries of different capacities, the same current is not applicable, so the rate is used to determine the relative current. For example, 0.1C is 0.3A for a 3Ah 18650 battery, and 28A for a 280Ah prismatic battery. Simply put, the specific current value represented by the rate is the rate multiplied by the battery capacity.

When marking the capacity of a battery, the charge and discharge current must be taken into account, because the capacity will be different at different rates. For example, to calibrate the capacity of a battery at different rates, you can set it to change step by step with the charge and discharge cycle rate, and then draw a rate curve with the discharge capacity as the vertical axis and the number of charge and discharge times as the horizontal axis.

dQ/dV curve

The name of the dQ/dV curve is its y-axis variable, that is, the rate of change of the volume per unit voltage interval. The horizontal axis of the dQ/dV curve is generally SOC, capacity or voltage, which reflects the change in the rate of change of capacity. The place where the rate of change is large is displayed as a characteristic peak on the curve, which generally corresponds to an electrochemical reaction process.

The dQ/dV curve can tell us where the voltage platform of the battery is, when the electrochemical reaction occurs, and how the reaction process changes with battery aging and other changes in state. Generally speaking, chemical reactions are rapid, so the data points on the curve require higher accuracy. Therefore, the output dQ/dV curve has certain requirements for the collection of raw data, otherwise it is impossible to make a curve with obvious peaks. When doing charge and discharge tests, you can set the voltage intervalΔV=10~50mV to collect data, or the time intervalΔt=10-50ms, and then screen the raw data with equal voltage differences.

The following figure shows the dQ/dV curve under different number of cycles.

Cycle Curve

We know that the life of a battery is divided into calendar life and cycle life. Calendar life is the time it takes for the battery capacity to lose to a certain extent under natural placement, while cycle life is the number of times the battery is continuously charged and discharged until its capacity decays to a certain extent. Cycle life is one of the important indicators for measuring battery life performance.

リチウムイオン電池のサイクル試験データは、単回の充電と放電のデータの蓄積です。異なる単回の充電と放電のデータを抽出して、さまざまな分析の側面に合わせて複数の曲線を作成できます。最も単純なサイクル寿命曲線は、サイクル数を x 軸、放電容量または容量保持率を y 軸とするもので、下図のようになります。サイクルが進むにつれて、電池容量は低下し続け、充放電システムは電池容量の低下に大きな影響を与えます。

下の図に示すように、異なる時間における充電と放電の容量-電圧曲線を比較することもできます。サイクルが進むにつれて、充電と放電の開始電圧がシフトし、バッテリーの直流内部抵抗が変化し、充電と放電の容量が徐々に低下します。

上記の 2 種類以外にも、サイクル数を横軸、バッテリー サイクル減衰の影響を受けるパラメータを縦軸とする曲線が多数あり、バッテリー セルのサイクル寿命に影響を与える要因を分析し、サイクル寿命を予測する役割を果たしています。下図に示すように、クーロン効率レベルによって影響を受けるバッテリー サイクル寿命の理論値を反映しています。CE はクーロン効率、Ck は容量保持率、k はサイクル数です。

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