ولتاژ شارژ باتری لیتیومی

در میان تمام پارامترهای فنی باتری‌های لیتیومی، ولتاژ شارژ یکی از مهم‌ترین پارامترها است - و ولتاژی که در آن نمی‌توان خطاها را تحمل کرد. ولتاژ شارژ مستقیماً تعیین می‌کند که آیا یون‌های لیتیوم می‌توانند به طور ایمن و کارآمد در مواد الکترود مثبت و منفی وارد شوند یا نه. این نه تنها بر راندمان هر شارژ تأثیر می گذارد، بلکه اساساً بر عمر چرخه باتری و ایمنی تأثیر می گذارد. این مقاله به طور سیستماتیک پارامترهای ولتاژ هسته باتری‌های لیتیومی - از جمله ولتاژ اسمی، ولتاژ کاری، ولتاژ قطع شارژ، و ولتاژ قطع تخلیه - را توضیح می‌دهد و ویژگی‌های ولتاژ شیمی‌های مختلف باتری، مدیریت ولتاژ در ولتاژهای ولتاژ، سیستم‌های تشخیص باتری چند سلولی و مدیریت بسته‌های باتری دستی، مدیریت سیستم‌های دستی باتری، مدیریت ولتاژ باتری‌ها ناهنجاری ها، دانش جامع و حرفه ای در مورد ولتاژ باتری لیتیومی را در اختیار خوانندگان قرار می دهد.

1. چارچوب مفهومی ولتاژ هسته برای باتری های لیتیومی

درک ولتاژ شارژ باتری لیتیومی ابتدا نیاز به توضیح چندین مفهوم ولتاژ متصل به هم دارد. این مفاهیم پایه و اساس چارچوب دانش ولتاژ باتری لیتیومی را تشکیل می دهند:

1.1 ولتاژ اسمی

ولتاژ اسمی مقدار مرجع استانداردی است که برای توصیف قابلیت تخلیه باتری استفاده می‌شود، که نشان‌دهنده میانگین ولتاژ حفظ شده در طول بیشتر فرآیند تخلیه است. برای باتری های لیتیومی رایج: اکسید کبالت لیتیوم (LCO) و لیتیوم سه تایی دارای ولتاژ اسمی تقریباً 3.6 V-3.7 V هستند. لیتیوم فسفات آهن (LFP) 3.2 V است. اکسید منگنز لیتیوم (LMO) تقریباً 3.8 V است. و لیتیوم تیتانات (LTO) تقریباً 2.4 ولت است. ولتاژ نامی متداولترین پارامتر ولتاژ ذکر شده در مشخصات باتری است و همچنین مقدار ولتاژ مورد استفاده هنگام محاسبه انرژی باتری است (Wh = Ah × V).

1.2 ولتاژ مدار باز (OCV)

ولتاژ مدار باز اختلاف ولتاژ بین پایانه های مثبت و منفی است، زمانی که مدار خارجی متصل نیست (یعنی جریانی در جریان نیست). OCV یک رابطه متناظر با وضعیت شارژ باتری (SOC) دارد و مبنای مهمی برای تخمین SOC است. با این حال، رابطه OCV-SOC خطی نیست و حساسیت متفاوتی در محدوده‌های مختلف SOC دارد. برای باتری‌های لیتیوم آهن فسفات، OCV به آرامی در محدوده 20% تا 90% SOC تغییر می‌کند و چالش‌هایی را برای برآورد SOC ایجاد می‌کند. لیتیوم سه تایی، در مقابل، تغییرات OCV بارزتر با SOC را نشان می دهد.

1.3 ولتاژ کاری

ولتاژ کاری ولتاژ واقعی ترمینال باتری در هنگام جاری شدن جریان است. به دلیل مقاومت داخلی باتری، ولتاژ کاری در هنگام تخلیه کمتر از OCV (افت ولتاژ = جریان × مقاومت داخلی) است، در حالی که در هنگام شارژ بیشتر از OCV (افزایش ولتاژ = جریان × مقاومت داخلی) است. با افزایش سن باتری و افزایش مقاومت داخلی، ولتاژ کاری به طور قابل توجهی از OCV منحرف می شود.

1.4 ولتاژ قطع شارژ

ولتاژ قطع شارژ حداکثر ولتاژی است که در طول شارژ می توان به آن رسید که به آن ولتاژ نیز می گویند. ولتاژ شارژ کامل . ادامه شارژ بیش از این ولتاژ قطع منجر به شارژ بیش از حد می شود که باعث تجزیه مواد و خطرات ایمنی می شود. این سخت ترین محدودیت تک ولتاژ در مدیریت شارژ است.

1.5 ولتاژ قطع تخلیه

ولتاژ قطع تخلیه حداقل ولتاژ مجاز در هنگام تخلیه است که به آن ولتاژ نیز می گویند ولتاژ حفاظتی بیش از حد تخلیه . ادامه تخلیه در زیر این ولتاژ قطع - تخلیه بیش از حد - باعث می شود که کلکتور جریان مس در الکترود منفی حل شود و به طور غیرقابل برگشتی به ساختار ماده الکترود مثبت آسیب برساند و در نتیجه ظرفیت دائمی از دست برود.

جدول زیر به طور سیستماتیک این پنج مفهوم ولتاژ هسته را با هم مقایسه می کند:

2. ولتاژ شارژ دقیق برای شیمی های مختلف باتری لیتیوم

پارامترهای ولتاژ شارژ باتری های لیتیومی بسته به ماده کاتد به طور قابل توجهی متفاوت است. در زیر توضیح مفصلی از سیستم های اصلی مواد باتری لیتیوم موجود در بازار آورده شده است:

2.1 اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2، LCO) - نیروی کار لوازم الکترونیکی مصرفی

اکسید کبالت لیتیوم اولین ماده کاتد باتری لیتیومی بود که تجاری شد و عمدتاً در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شد. ساختار کریستالی آن یک ساختار لایه‌ای سنگ نمک است که ظرفیت برگشت‌پذیر آن تقریباً ۱۴۰ تا ۱۵۰ میلی‌آمپرساعت بر گرم است. ولتاژ قطع شارژ برای سلول های تک LCO استاندارد است 4.20 V ، ارزشی که از طریق سالها تمرین مهندسی به عنوان یک تعادل خوب بین چگالی انرژی و عمر چرخه تأیید شده است. در سال‌های اخیر، LCO ولتاژ بالا، ولتاژ قطع شارژ را به 4.35 ولت یا حتی 4.45 ولت افزایش داده است تا چگالی انرژی را بیشتر کند، اما این الزامات سخت‌گیرانه‌تری را بر الکترولیت و BMS تحمیل می‌کند.

2.2 فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4، LFP) - بهترین ایمنی در کلاس

LFP یک ماده کاتدی با ساختار الیوین دارد. در مقایسه با مواد ساختار لایه ای، پیوند کووالانسی قوی گروه فسفات (PO43-) به طور چشمگیری پایداری حرارتی را در شرایط دمای بالا و شارژ بیش از حد بهبود می بخشد - حتی در دماهای بالا، بعید است که اکسیژن از شبکه کریستالی آزاد شود، که اساساً خطر ران حرارتی را کاهش می دهد. ولتاژ قطع شارژ برای LFP است 3.65 V - بسیار پایین تر از لیتیوم سه تایی و LCO، که به طور مستقیم نشان دهنده ایمنی برتر آن است. فلات ولتاژ برای LFP تقریباً 3.2-3.3 ولت، ولتاژ قطع تخلیه تقریباً 2.5 ولت و پنجره ولتاژ کاری تقریباً 1.15 ولت (2.5 ولت-3.65 V) است که کمی باریکتر از لیتیوم سه تایی است.

2.3 لیتیوم سه گانه (NCM/NCA) - نماینده چگالی انرژی بالا

لیتیوم سه‌گانه شامل دو زیر مجموعه اصلی است: نیکل-کبالت-منگنز (NCM) و نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA). ماده کاتد نیز ساختاری لایه‌ای شبیه به LCO است، اما تعادل بهتری بین چگالی انرژی، عمر چرخه و هزینه از طریق اثرات هم افزایی چند فلزات واسطه به دست می‌آورد. سلول های استاندارد NCM (مانند NCM111 و NCM523) معمولاً دارای ولتاژ قطع شارژ هستند. 4.20 V در حالی که نسخه‌های با چگالی انرژی بالا (مانند NCM622 و NCM811) می‌توانند به 4.30-4.35 V برسند. سلول‌های NCA (که عمدتاً در خودروهای الکتریکی با کارایی بالا استفاده می‌شوند) معمولاً دارای ولتاژ قطع شارژ حدود 4.20 ولت هستند. ولتاژ قطع معمولاً 2.75-3.0 ولت است.

2.4 اکسید لیتیوم منگنز (LiMn2O4، LMO)

اکسید منگنز لیتیوم از ساختار اسپینل با کانال‌های رسانش یون لیتیوم سه بعدی استفاده می‌کند که قابلیت نرخ عالی (قابلیت شارژ/دشارژ با جریان بالا) و هزینه کمتر را ارائه می‌دهد. ولتاژ قطع شارژ برای یک سلول LMO منفرد تقریباً 4.20 ولت است، با ولتاژ اسمی تقریباً 3.8 ولت و ولتاژ قطع تخلیه تقریباً 3.0 ولت. اشکال اصلی LMO عملکرد ضعیف سیکل در دمای بالا (به دلیل انحلال منگنز) است، بنابراین در سیستم‌های LMO انحلال ولتاژ ناخالص و به طور معمول محدود می‌شود.

2.5 لیتیوم تیتانات (Li4Ti5O12، LTO) - جایگزین گرافیت به عنوان آند

لیتیوم تیتانات یک سیستم ویژه است که در آن لیتیوم تیتانات جایگزین گرافیت سنتی به عنوان ماده آند، جفت شده با کاتدهای مختلف (مانند LFP یا LMO) می شود. از آنجایی که پتانسیل درون یابی لیتیوم آند LTO تقریباً 1.55 ولت (در مقابل Li/Li⁺) است - بسیار بیشتر از 0.1 ولت گرافیت - از تشکیل دندریت لیتیوم کاملاً اجتناب می شود و تغییرات حجمی حداقل هستند و عمر چرخه ده ها هزار سیکل را ممکن می کند. ولتاژ ترمینال سلول های مبتنی بر LTO کمتر است: ولتاژ اسمی تقریباً 2.4 ولت و ولتاژ قطع شارژ تقریباً 2.85 ولت است.

جدول زیر مقایسه ای جامع از پارامترهای ولتاژ برای پنج سیستم اصلی مواد باتری لیتیومی ارائه می دهد:

3. محاسبات ولتاژ شارژ بسته باتری

در کاربردهای عملی، سلول های تک به ندرت به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرند. سلول های متعدد معمولاً به صورت سری (یا در ترکیبات سری-موازی) به هم متصل می شوند تا یک بسته باتری را تشکیل دهند. درک محاسبات ولتاژ بسته باتری برای انتخاب شارژر صحیح و تفسیر دقیق وضعیت شارژ ضروری است.

3.1 اتصال سری

در یک اتصال سری، ولتاژ سلول های جداگانه با هم جمع می شوند. ولتاژ کل برابر است با ولتاژ تک سلولی ضربدر تعداد سلول های سری (S)، در حالی که ظرفیت کل (Ah) بدون تغییر باقی می ماند. به عنوان مثال، 3 سلول لیتیومی سه تایی با ولتاژ نامی 3.7 ولت متصل به صورت سری، یک بسته باتری با ولتاژ نامی 11.1 ولت (3S)، ولتاژ قطع شارژ 12.6 ولت (4.2 ولت × 3) و ولتاژ قطع تخلیه 7.25 × ولتاژ (2.8 × V) را تشکیل می دهند. پیکربندی‌های سری متداول از 2S (مانند برخی از باتری‌های پهپاد) تا صدها S (مانند بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی) متغیر است.

3.2 اتصال موازی

در یک اتصال موازی، ظرفیت های (Ah) تک تک سلول ها با هم جمع می شوند. ظرفیت کل برابر است با ظرفیت تک سلولی ضربدر تعداد سلول های موازی (P)، در حالی که ولتاژ کل بدون تغییر باقی می ماند. به عنوان مثال، 2 سلول با 3 Ah که هر کدام به صورت موازی به هم متصل شده اند، یک بسته باتری با ظرفیت کل 6 Ah را در همان ولتاژ تشکیل می دهند. اتصالات موازی در درجه اول برای افزایش ظرفیت و قابلیت جریان تخلیه مداوم و در عین حال حفظ ولتاژ یکسان استفاده می شود.

3.3 سری-ترکیب موازی

بسته‌های باتری عملی معمولاً از ترکیب‌های موازی سری (مثلاً 4S2P) استفاده می‌کنند، به این معنی که 4 گروه از سلول‌های موازی به صورت سری به هم متصل می‌شوند. ولتاژ کل برابر است با ولتاژ تک سلولی × تعداد سلول های سری و ظرفیت کل برابر است با ظرفیت تک سلولی × تعداد سلول های موازی.

جدول زیر پارامترهای ولتاژ شارژ با پیکربندی متداول سری بسته باتری را نشان می دهد (به عنوان مثال از لیتیوم سه تایی با قطع تک سلولی 4.20 ولت استفاده می کند):

4. تاثیر ولتاژ قطع شارژ بر عمر باتری

ولتاژ قطع شارژ نه تنها بر ظرفیت هر شارژ تأثیر می گذارد، بلکه تأثیر عمیقی بر عمر چرخه باتری دارد. این موضوع مهمی است که ارزش کاوش عمیق را دارد، زیرا مستقیماً به نحوه معاوضه بین ظرفیت و طول عمر توسط کاربران مربوط می شود.

تحقیقات نشان می دهد که کاهش ولتاژ قطع شارژ یکی از موثرترین راه ها برای افزایش عمر چرخه باتری های لیتیومی است. استفاده از لیتیوم سه تایی (NCM، قطع تک سلولی 4.20 ولت) به عنوان مثال: کاهش ولتاژ قطع شارژ از 4.20 ولت به 4.10 ولت ظرفیت را تقریباً 5 تا 8 درصد کاهش می‌دهد، اما عمر چرخه را تقریباً 30 تا 50 درصد افزایش می‌دهد. کاهش بیشتر آن به 4.00 ولت ظرفیت را تقریباً 15٪ کاهش می دهد، اما می تواند عمر چرخه را تا 2 تا 3 برابر افزایش دهد. این به این دلیل است که در SOC بالا (یعنی ولتاژ بالا)، غلظت یون لیتیوم در شبکه کریستالی ماده کاتد بسیار کم است - این ماده در حالت جداشدگی شدید قرار دارد که در آن تنش ساختاری بیشترین میزان را دارد و انتقال فاز غیرقابل برگشت و انتشار میکرو ترک به احتمال زیاد رخ می دهد.

بر اساس این اصل، بسیاری از سازندگان خودروهای برقی و کاربران حرفه‌ای حد بالایی شارژ باتری را 80% تا 90% (مطابق با تقریباً 4.0–4.1 ولت) و حد تخلیه پایین را بین 20% تا 30% تعیین می‌کنند که به طور چشمگیری طول عمر بسته باتری را افزایش می‌دهد. این استراتژی نامیده می شود حالت شارژ جزئی دوچرخه سواری (PSOC) و به طور گسترده در سیستم های ذخیره انرژی و کاربردهای حمل و نقل الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد.

جدول زیر رابطه بین ولتاژ قطع شارژ، ظرفیت و عمر چرخه باتری های لیتیومی سه تایی (NCM) را نشان می دهد:

5. سیستم مدیریت باتری (BMS) و کنترل ولتاژ

سیستم مدیریت باتری (BMS) محافظ اصلی برای عملکرد ایمن و کارآمد باتری‌های لیتیومی است. عملکرد مدیریت ولتاژ BMS یکی از حیاتی ترین بخش های کل سیستم است:

5.1 نظارت بر ولتاژ سلول فردی

BMS از مدارهای اختصاصی اکتساب ولتاژ سلولی (Analog Front End، AFE) برای نظارت بر ولتاژ تک تک سلول های متصل به سری در زمان واقعی استفاده می کند. فرکانس نمونه برداری معمولاً 1 هرتز تا 100 هرتز است، با دقت مورد نیاز در 5± میلی ولت (BMS با دقت بالا می تواند به 1 ± میلی ولت برسد). مانیتورینگ ولتاژ سلولی تکی پایه ای برای اجرای حفاظت از شارژ اضافه، حفاظت از تخلیه بیش از حد و مدیریت تعادل سلولی است.

5.2 حفاظت از اضافه ولتاژ (OVP)

هنگامی که ولتاژ هر سلول به آستانه حفاظت از اضافه ولتاژ تعیین شده می رسد، BMS بلافاصله یک اقدام حفاظتی را آغاز می کند - قطع مدار شارژ (با کنترل ماسفت شارژ یا رله) برای جلوگیری از شارژ بیشتر که باعث شارژ بیش از حد می شود. آستانه OVP معمولاً کمی بالاتر از ولتاژ قطع شارژ تنظیم می شود. به عنوان مثال، برای یک سلول لیتیومی سه تایی قطع شده 4.20 ولت، OVP ممکن است روی 4.25-4.30 V تنظیم شود، و برای جلوگیری از تحریک نادرست از نوسانات مختصر ولتاژ، مقداری حاشیه باقی می ماند.

5.3 حفاظت در برابر ولتاژ (UVP)

مربوط به حفاظت از اضافه ولتاژ، هنگامی که ولتاژ سلول به آستانه حفاظت از ولتاژ پایین می‌آید، BMS مدار تخلیه را قطع می‌کند تا از تخلیه بیش از حد جلوگیری کند. برای لیتیوم سه تایی، آستانه UVP معمولاً 2.80-3.00 V است. برای فسفات آهن لیتیوم، معمولاً 2.50-2.80 V است.

5.4 تعادل سلولی

در بسته‌های باتری سری چند سلولی، تفاوت در تحمل‌های تولید و نرخ پیری باعث می‌شود که ظرفیت و نرخ خود تخلیه سلول‌ها به تدریج از هم جدا شود. بدون تعادل، سلولی با کمترین ظرفیت، اولین سلولی است که به ولتاژ قطع شارژ (یا ولتاژ قطع تخلیه تخلیه می‌شود)، که ظرفیت قابل استفاده کل بسته را محدود می‌کند. BMS از مدارهای متعادل کننده برای یکسان کردن ولتاژ سلول های جداگانه، عمدتاً از طریق دو روش استفاده می کند:

• تعادل غیرفعال: انرژی را از سلول های ولتاژ بالاتر به عنوان گرما از طریق مقاومت ها دفع می کند.
• تعادل فعال: انرژی را از سلول های ولتاژ بالاتر به سلول های ولتاژ پایین تر منتقل می کند.

جدول زیر ویژگی های تعادل غیرفعال و فعال را با هم مقایسه می کند:

6. مشخصات ولتاژ شارژ برای دستگاه های معمولی

درک مشخصات ولتاژ شارژ دستگاه‌های خاص به کاربران کمک می‌کند هنگام انتخاب شارژرها و تفسیر وضعیت شارژ، قضاوت صحیحی داشته باشند:

6.1 گوشی های هوشمند

اکثر گوشی های هوشمند از باتری های لیتیوم اکسید کبالت یا باتری های لیتیومی سه تایی استفاده می کنند. ولتاژ قطع شارژ تک سلولی معمولاً 4.40-4.45 ولت (نسخه بهینه سازی شده با چگالی بالا) یا استاندارد 4.20 ولت است. ولتاژ خروجی شارژر تلفن هوشمند معمولاً 5 ولت (شارژ استاندارد)، 9 ولت، 12 ولت یا 20 ولت (شارژ سریع) است. با این حال، ولتاژ خروجی شارژر پایین آمده و دقیقاً توسط آی سی مدیریت شارژ داخلی گوشی (PMIC) به ولتاژ مورد نیاز سلول (4.20-4.45 V) کنترل می شود. ولتاژ خروجی شارژر و ولتاژ شارژ باتری یک مقدار نیستند.

6.2 لپ تاپ

لپ‌تاپ‌ها معمولاً از بسته‌های باتری لیتیومی سری چند سلولی استفاده می‌کنند. پیکربندی های رایج عبارتند از 2S (نامی 7.2-7.4 V، شارژ کامل 8.4 V)، 3S (نامی 10.8-11.1 V، شارژ کامل 12.6 V)، یا 4S (نامی 14.4-14.8 V، شارژ کامل 16.8 V). ولتاژ خروجی آداپتور (مثلاً 19 ولت) از طریق یک مبدل داخلی DC-DC برای مطابقت با ولتاژ شارژ بسته باتری تبدیل می شود.

6.3 دوچرخه های برقی

بسته های باتری دوچرخه برقی دارای ولتاژ اسمی استاندارد 24 ولت، 36 ولت یا 48 ولت هستند که مربوط به پیکربندی سری های مختلف LFP یا سلول های لیتیومی سه تایی است. ولتاژهای خروجی شارژر مربوطه معمولاً 29.4 ولت (لیتیوم سه تایی 36 ولت)، 42 ولت (36 ولت LFP)، 54.6 ولت (لیتیوم سه تایی 48 ولت) و مقادیر مشابه هستند.

جدول زیر مشخصات ولتاژ شارژ دستگاه های رایج را خلاصه می کند:

7. تشخیص و رسیدگی به ناهنجاری های ولتاژ

در استفاده روزانه از باتری های لیتیومی، ناهنجاری های ولتاژ مستقیم ترین و مهم ترین شاخص های سلامت هستند. درک انواع، علل و روش‌های مدیریت ناهنجاری‌های ولتاژ برای حفظ ایمنی و عملکرد باتری بسیار مهم است:

7.1 ولتاژ پایین (کم ولتاژ)

ولتاژ باتری که در حالت استراحت کمتر از حد پایین محدوده اسمی است ممکن است ناشی از موارد زیر باشد: تخلیه عمیق (به ویژه ذخیره سازی طولانی مدت بدون شارژ مجدد به موقع). انحلال کلکتور جریان مسی الکترود منفی (آسیب غیر قابل برگشت ناشی از تخلیه بیش از حد شدید). میکرو مدارهای کوتاه داخلی؛ یا ظرفیت قابل توجهی پس از استفاده طولانی مدت از بین می رود. برای سلول هایی که ولتاژ کمتر از ولتاژ قطع تخلیه شده است، ابتدا سعی کنید با جریان بسیار کم (زیر 0.05 درجه سانتیگراد) از قبل شارژ کنید. اگر ولتاژ بتواند در عرض 30 دقیقه به محدوده طبیعی بازگردد، شارژ عادی می تواند ادامه یابد. اگر بهبودی امکان پذیر نباشد، سلول آسیب غیرقابل برگشتی دیده است و جایگزینی آن توصیه می شود.

7.2 ولتاژ بالا (اضافه ولتاژ)

ولتاژ باتری که به طور قابل توجهی از ولتاژ قطع کامل شارژ پس از شارژ یا پس از مدتی استراحت بیشتر شود، نشانه بسیار خطرناک شارژ بیش از حد است. یک باتری بیش از حد شارژ شده متحمل یک سری واکنش های خطرناک می شود: تجزیه مواد کاتدی، اکسیداسیون الکترولیت، و تولید گاز گسترده که منجر به تورم باتری یا حتی فرار حرارتی می شود. به محض کشف سلول اضافه ولتاژ، فورا شارژ را متوقف کنید، دستگاه را در یک فضای باز عایق بندی شده و بدون مواد قابل اشتعال قرار دهید و برای جابجایی با تکنسین های حرفه ای تماس بگیرید. هرگز به استفاده از دستگاه ادامه ندهید.

7.3 عدم تعادل ولتاژ بیش از حد در بین سلول های یک بسته

در شرایط عادی، اختلاف ولتاژ بین سلول های متصل به سری نباید از 50 میلی ولت در پایان شارژ یا 100 میلی ولت در پایان تخلیه بیشتر شود. اگر عدم تعادل از این محدوده فراتر رود، نشان دهنده ناهماهنگی قابل توجه ظرفیت بین سلول ها است - قابلیت تعادل BMS دیگر نمی تواند تعادل موثر را حفظ کند و ظرفیت قابل استفاده و طول عمر کل بسته باتری محدود می شود. این وضعیت معمولاً مستلزم بازرسی حرفه ای بسته باتری برای ارزیابی اینکه آیا سلول هایی با عدم تعادل ولتاژ بیش از حد نیاز به تعویض دارند یا خیر.

جدول زیر توصیه‌های تشخیص و مدیریت ناهنجاری‌های رایج ولتاژ را خلاصه می‌کند:

8. روند توسعه در فناوری باتری های لیتیومی ولتاژ بالا

با تقاضای مداوم برای چگالی انرژی بالاتر از وسایل الکترونیکی مصرفی و حمل و نقل الکتریکی، فناوری باتری لیتیومی ولتاژ بالا در حال تبدیل شدن به یک جهت مهم تحقیق و توسعه در صنعت است.

ولتاژ قطع شارژ برای باتری های لیتیومی سه تایی در حال حاضر 4.20-4.35 V است. محققان در حال بررسی مسیرهای فنی برای افزایش این ولتاژ به 4.50 ولت یا بالاتر هستند. افزایش ولتاژ قطع به این معنی است که یون های لیتیوم بیشتری می توانند از کاتد خارج شوند و از نظر تئوری ظرفیت را 20 تا 30 درصد بهبود می بخشند. با این حال، ولتاژ بالا چالش‌های شدیدی را برای پایداری الکترولیت ایجاد می‌کند - الکترولیت‌های مبتنی بر کربنات معمولی در بالای 4.5 ولت تجزیه اکسیداتیو سریع می‌شوند و گاز تولید می‌کنند و به سطوح الکترود آسیب می‌رسانند. برای رسیدگی به این موضوع، محققان در حال توسعه هستند:

• افزودنی های الکترولیت ولتاژ بالا (مانند اترهای فلوئوردار و حلال های کلاس سولفون)
• پوشش های سطح کاتد با ولتاژ بالا (برای جلوگیری از تماس مستقیم بین الکترولیت و کاتد)
• الکترولیت های حالت جامد (به طور اساسی به محدودیت های پایداری الکترولیت مایع پرداخته می شود)

معرفی از الکترولیت های حالت جامد به عنوان راه حل نهایی برای شکستن سد ولتاژ بالا در نظر گرفته می شود. ولتاژ تجزیه اکسیداتیو الکترولیت‌های حالت جامد به مراتب بیشتر از الکترولیت‌های مایع است، از نظر تئوری ولتاژهای قطع شارژ 5 ولت یا بیشتر را پشتیبانی می‌کند، در حالی که اساساً خطرات ایمنی مرتبط با نشت الکترولیت مایع را حذف می‌کند. در حال حاضر، باتری های لیتیومی تمام حالت جامد هنوز در مرحله تحقیق و تولید آزمایشی دسته کوچک هستند. هزینه ساخت و رسانایی یونی همچنان گلوگاه های فنی اصلی هستند که باید بر آن غلبه کرد.

9. ابزار و روش های اندازه گیری ولتاژ

برای کاربرانی که نیاز به اندازه‌گیری مستقل ولتاژ باتری لیتیومی دارند (مانند هنگام تعمیر دستگاه‌های الکترونیکی یا بررسی سلامت باتری‌های یدکی)، روش‌های صحیح اندازه‌گیری به همان اندازه مهم هستند.

اساسی ترین ابزار اندازه گیری الف است مولتی متر دیجیتال (DMM) با دقت معمولی ± 0.5٪ - ± 1٪، که برای ارزیابی وضعیت ولتاژ تقریبی یک باتری کافی است. برای اندازه گیری: مولتی متر را روی ولتاژ DC (DC V) در یک محدوده مناسب قرار دهید (معمولاً نزدیکترین محدوده بالاتر از ولتاژ مورد اندازه گیری را انتخاب کنید)، پروب قرمز را به ترمینال مثبت باتری و پروب سیاه را به پایانه منفی وصل کنید و ولتاژ را بخوانید. توجه داشته باشید که یک مولتی متر ولتاژ مدار باز باتری (OCV) را اندازه می‌گیرد - قبل از اندازه‌گیری، باتری باید حداقل 30 دقیقه (و باتری‌های با ظرفیت بالا به مدت 1 ساعت یا بیشتر) بماند تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ نزدیک به مقدار تعادل ترمودینامیکی واقعی خود تثبیت شده است.

برای کاربرانی که نیاز به اندازه‌گیری ولتاژ تک سلول‌های متصل به سری دارند، یک دستگاه اختصاص داده شده است بررسی کننده ولتاژ سلول می توان استفاده کرد. این ابزارها می توانند به طور همزمان ولتاژ جداگانه هر سلول را نمایش دهند و به سرعت سلول های مشکل دار با عدم تعادل ولتاژ بیش از حد را شناسایی کنند.

10. خلاصه: اصول اصلی مدیریت ولتاژ شارژ باتری لیتیومی

با جمع آوری تمام مطالب بالا، اصول اصلی مدیریت ولتاژ شارژ باتری لیتیومی را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

• ولتاژ قطع را به شدت رعایت کنید. هرگز در طول شارژ از ولتاژ قطع نامی شارژ کامل تجاوز نکنید. این پایه مطلق برای شارژ ایمن است و هرگز نباید در پیگیری ظرفیت بیشتر به خطر بیفتد.
• شیمی باتری خود را بدانید سیستم مواد مورد استفاده در دستگاه خود و پارامترهای ولتاژ مربوط به آن را بدانید، بنابراین می توانید قضاوت کنید که آیا شارژر مطابقت دارد و آیا وضعیت سلامت باتری نرمال است یا خیر.
• در صورت امکان از حالت چرخه شارژ جزئی استفاده کنید. تنظیم یک حد بالای شارژ پایین تر (مثلاً 80٪) و یک حد پایین تر تخلیه (مثلاً 20٪) می تواند به طور قابل توجهی عمر چرخه باتری را افزایش دهد.
• به BMS داخلی اعتماد کنید. نرم افزار و سیستم عامل دستگاه را به روز نگه دارید تا مطمئن شوید BMS همیشه با جدیدترین و ایمن ترین پیکربندی پارامتر اجرا می شود.
• در مورد ناهنجاری های ولتاژ به سرعت عمل کنید. اگر رفتار ولتاژ باتری غیرعادی تشخیص داده شد - مانند ولتاژ قابل توجهی کمتر یا بالاتر از حد انتظار پس از شارژ کامل - فوراً این مشکل را بررسی و برطرف کنید. ریسک نکنید و به استفاده از باتری ادامه دهید، زیرا خطرات ایمنی می تواند به حوادث تبدیل شود.

سوالات متداول (سؤالات متداول)

Q1: چرا ولتاژ خروجی شارژر (به عنوان مثال، 5 ولت یا 9 ولت) با ولتاژ شارژ باتری لیتیومی (به عنوان مثال، 4.2 ولت) متفاوت است؟

ولتاژ خروجی توسط شارژر، خروجی اسمی آن به بیرون است که برای رساندن برق به دستگاه از طریق کابل شارژ استفاده می شود. در داخل دستگاه، یک آی سی مدیریت شارژ اختصاصی (PMIC یا Charge IC) وجود دارد که ولتاژ خروجی شارژر را کاهش می دهد و دقیقاً آن را در محدوده مورد نیاز باتری (به عنوان مثال 4.20 ولت) کنترل می کند. بنابراین کاربران نیازی به نگرانی ندارند که شارژر 5 ولت یا 9 ولت به باتری آسیب می رساند - تا زمانی که شارژر با مشخصات دستگاه مطابقت داشته باشد، آی سی کنترل داخلی تبدیل ولتاژ و کنترل شارژ را به طور خودکار کنترل می کند. برای سلول‌های خالی بدون آی‌سی مدیریت شارژ داخلی (مانند باتری‌های مدل یا ذخیره‌سازی انرژی DIY)، یک دستگاه اختصاصی شارژر باتری لیتیومی باید برای مطابقت با ولتاژ قطع شارژ سلول استفاده شود.

Q2: چرا ولتاژ شارژ باتری های LFP بسیار کمتر از ولتاژ لیتیوم سه تایی است؟

این توسط پتانسیل‌های مختلف درون‌گیری الکتروشیمیایی دو ماده مشخص می‌شود - یک ویژگی فیزیکوشیمیایی ذاتی، نه یک مشخصات دلخواه. جفت ردوکس Fe2+/Fe3+ در LFP مربوط به پتانسیل درونی تقریباً 3.45 ولت (در مقابل Li/Li+) است، در حالی که LCO و لیتیوم سه تایی دارای پتانسیل های متناظر در محدوده 3.6 تا 3.8 ولت هستند. به همین دلیل است که این دو سیستم اساساً دارای ولتاژ کار-شارژ فلات و فلات قطع ولتاژ کاری متفاوت هستند. دقیقاً همین پتانسیل کاری پایین است که LFP را از نظر ترمودینامیکی در حالت کاملاً شارژ پایدارتر می کند، که یکی از دلایل اساسی مزیت ایمنی آن نسبت به لیتیوم سه تایی است.

Q3: آیا رابطه مستقیمی بین اندازه گیری ولتاژ باتری و ظرفیت واقعی وجود دارد؟

یک رابطه مشخص وجود دارد، اما یک رابطه خطی ساده نیست و از نظر شیمی تفاوت قابل توجهی دارد. ولتاژ مدار باز لیتیوم سه تایی و LCO نسبتاً به طور قابل توجهی با SOC تغییر می کند (منحنی ولتاژ-SOC دارای شیب بیشتری است)، که تخمین ظرفیت باقی مانده از ولتاژ را نسبتاً بصری می کند. با این حال، LFP دارای یک "فلات" نزدیک به افقی در منحنی ولتاژ-SOC خود در محدوده 20٪ تا 90٪ SOC است - تقریباً در محدوده 3.2-3.3 V تقریباً بدون تغییر باقی می ماند - به این معنی که حتی با کاهش شارژ از 90٪ به 20٪، OCV به سختی تغییر می کند. تکیه بر ولتاژ به تنهایی نمی تواند به طور دقیق ظرفیت باقی مانده برای LFP را تعیین کند. روش هایی مانند شمارش کولن برای تخمین SOC مورد نیاز است.

Q4: وقتی دستگاهی 100٪ شارژ (شارژ کامل) را گزارش می کند، چه ولتاژی طبیعی است؟

این به ترکیب شیمیایی باتری مورد استفاده در دستگاه و استراتژی کنترل شارژ BMS بستگی دارد. برای لیتیوم سه تایی استاندارد (قطع 4.20 ولت)، OCV پس از استراحت با شارژ کامل، معمولاً 4.15-4.20 ولت است. برای لیتیوم سه تایی با ولتاژ بالا (قطع 4.35 ولت)، OCV در حال استراحت معمولاً 4.30-4.35 ولت است. برای LFP (3.65 ولت OC) معمولاً قطع استراحت است. 3.60–3.65 V. توجه داشته باشید که درصد نمایش داده شده توسط دستگاه نتیجه محاسبه BMS و بهینه سازی نرم افزار است و مستقیماً با مقادیر ولتاژ مطابقت ندارد. مقایسه درصدها بین دستگاه ها بی معنی است. پارامترهای نرمال اعلام شده سازنده باید به عنوان مرجع استفاده شوند.

Q5: آیا کاهش ولتاژ باتری پس از استراحت طبیعی است؟ چه مقدار از افت غیر طبیعی در نظر گرفته می شود؟

بله، افت ولتاژ باتری لیتیومی پس از اتمام شارژ، کاملا طبیعی است. این قطره دو جزء دارد:

• اتلاف ولتاژ پلاریزاسیون: پس از پایان شارژ، گرادیان های غلظت (قطبی شدن غلظت) و تفاوت های سرعت واکنش (قطب شدن فعال سازی) در داخل سلول به زمان نیاز دارند تا آرام شوند. این افت ولتاژ معمولاً در عرض چند دقیقه تا چند ساعت پس از شارژ کامل می شود.
• خود ترشحی طبیعی: افت آهسته و تدریجی ولتاژ ناشی از خود تخلیه ذاتی باتری. این یک پدیده طولانی مدت (روز تا هفته) است.

به طور کلی، برای سلول های لیتیومی سه تایی که به مدت 24 ساعت پس از شارژ کامل استراحت می کنند، افت ولتاژ بیش از 20 تا 30 میلی ولت در محدوده نرمال نیست. اگر ولتاژ بیش از 100 میلی ولت در 24 ساعت پس از استراحت کاهش یابد، یا ولتاژ در حال استراحت به طور قابل توجهی کمتر از مقدار شارژ کامل مورد انتظار باشد، ممکن است نشان دهنده نرخ تخلیه غیرعادی بالا یا اتصال کوتاه داخلی داخلی باشد و آزمایش حرفه ای توصیه می شود.