Energiasalvestite tühjenemise jõudlus

Üks olulisemaid jõudlusomadusienergiasalvestavad akudon nende tühjendamise jõudlus. Aku tühjenemiskäitumise iseloomustamiseks erinevates tingimustes on vaja mõõta aku tühjenemiskõverat, mis on tavaliselt kõver, mis näitab tühjenemispinge muutumist ajas. Erinevaid tühjendustingimusi iseloomustavad tühjendusstrateegiad ja erinevad tühjendusstrateegiad annavad tulemuseks erinevad tühjenduskõverad. Tühjendusstrateegiad hõlmavad tavaliselt tühjendusmeetodit, tühjendusvoolu, lõpppinget ja ümbritseva õhu temperatuuri.

Tühjendusmeetod

Aku tühjenemiseks on kolm võimalust: pidev voolu tühjenemine, pidev takistustühjenemine ja pidev voolu tühjenemine. Tüüpilised tühjenduskõverad on näidatud joonisel 1-5, mis illustreerib tühjendusvoolu, pinge ja võimsuse muutusi tühjendusaja lõikes nende kolme tühjendusrežiimi korral.

Pideva-takistustühjenemise ajal vähenevad aku tööpinge ja tühjendusvool aja jooksul järk-järgult. Samamoodi väheneb pideva-voolu tühjenemise korral ka tööpinge tühjenemisprotsessi jätkudes. See tööpinge vähenemine pikema tühjenemisajaga on tingitud aku sisemise takistuse suurenemisest. Lisaks on akutoite laialdasema kasutusega elektritööriistades, elektrisõidukites ja muudes rakendustes muutumas pideva -voolu tühjenemise levikuks. Pideva -toite tühjenemise ajal väheneb aku pinge pidevalt, samal ajal kui tühjenemise vool suureneb pidevalt.

Tühjendusvool

Aku töötamise ajal nimetatakse selle väljastatavat voolu tühjendusvooluks. Tühjenemisvoolu nimetatakse tavaliselt ka tühjenemiskiiruseks ja seda väljendatakse sageli tunnitasu (tuntud ka kui tunnitasu) ja kordaja abil.

Tühjenemiskiirus viitab kiirusele, millega aku tühjeneb, mõõdetuna tühjenemisajas. Täpsemalt on see aeg, mis kulub aku mahu täielikuks vabastamiseks konkreetse tühjendusvoolu abil, tavaliselt väljendatuna tundides (h). Näiteks aku puhul, mille nimivõimsus on 10 amp - tundi (A·h), kui see tühjeneb vooluga 2A, on vastav tühjenemiskiirus 5 tundi (10A·h/2A=5h), mis tähendab, et aku tühjeneb 5-tunnise kiirusega.

Tühjenemiskiirus viitab praegusele väärtusele, mida väljendatakse aku nimivõimsuse kordsena, kui aku täisvõimsus teatud aja jooksul täielikult vabastatakse. Näiteks 2C tühjenemine tähendab, et tühjendusvool on kaks korda suurem kui aku nimimaht, mida tavaliselt tähistab 2C (kus C tähistab aku nimimahtuvust). 10A·h nimivõimsusega aku puhul tähendab 2C tühjenemine (siin on mõõtmete probleem, st võimsuse ja voolu ühikud ei ole samad, kuid see on tavaline kasutus, mistõttu seda ei muudeta) tühjenemisvool on 2 x 10=20 (A), mis vastab tühjenemiskiirusele 0,5 tundi. Erinevat tüüpi ja konstruktsiooniga akudel on erinev kohanemisvõime tühjenemistingimustega: mõned sobivad paremini väikese{12}voolu tühjenemiseks, teised aga töötavad paremini suure voolu korral. Üldiselt nimetatakse 0,5C väiksemaid või sellega võrdseid tühjendusmäärasid madalateks; neid, mis jäävad vahemikku 0,5–3,5 °C, nimetatakse keskmiseks kiiruseks; neid, mis jäävad vahemikku 3,5–7 °C, nimetatakse kõrgeteks määradeks; ja neid, mis ületavad 7 °C, nimetatakse üli-kõrgeteks määradeks.

Lõpppinge

Aku tühjenemise ajal määratletakse algpinge väärtus käivitustööpingena; kui pinge langeb läveni, kus edasine tühjenemine enam ei sobi, nimetatakse seda pingepunkti lõpppingeks. Selle lõpppinge konkreetse väärtuse määrab tavaliselt tester tegelike katsenõuete ja varasemate kogemuste põhjal.

Määratud otsapinge varieerub sõltuvalt erinevatest tühjenemistingimustest ja nende mõjust aku mahtuvusele ja elueale. Madalamaid lõpppingeid kasutatakse tavaliselt madala-temperatuuri keskkonnas või kõrge{2}vooluga tühjenemise tingimustes, samas kui kõrgemad lõpppinged määratakse tavaliselt madala-voolu tühjenemise tingimustes. Selle põhjuseks on asjaolu, et aku elektroodide vaheline polarisatsioon suureneb märkimisväärselt madala-temperatuuri või suure-voolu tühjenemise korral, mille tulemuseks on aktiivsete materjalide mittetäielik ärakasutamine ja kiirem pingelang. Seetõttu aitab lõpppinge sobiv alandamine vabastada rohkem energiat. Ja vastupidi, madala-voolu tühjenemise kasutamisel kasutatakse aku aktiivseid komponente paremini ära. Sel juhul võib lõpppinge suurendamine sügavtühjenemise piiramiseks tõhusalt pikendada aku üldist eluiga.

Ümbritsev temperatuur

Nagu on näidatud joonisel 1-6, mõjutab ümbritseva õhu temperatuur märkimisväärselt tühjenduskõverat. Kõrgematel temperatuuridel on tühjenduskõver suhteliselt õrn; temperatuuri langedes muutub see muutus aga järjest drastilisemaks. Põhiline põhjus on see, et madalatel temperatuuridel ioonide migratsioonikiirus väheneb, mis viib oomilise sisemise takistuse suurenemiseni. Äärmuslikel juhtudel, kui temperatuur on liiga madal, võib elektrolüüt külmuda, mis takistab aku normaalset tühjenemist. Veelgi enam, madalamatel temperatuuridel suureneb vastavalt elektrokeemiline polarisatsioon ja kontsentratsiooni polarisatsioon, mis veelgi kiirendab tühjenduskõvera lagunemiskiirust.

Joonis 1-6 Pliiakude tühjenemiskõverad erinevatel ümbritseva õhu temperatuuridel

Võimsus ja erivõimsus

Aku mahutavus viitab elektrienergia kogusele, mida on võimalik akust teatud tühjenemistingimustel saada. Ühik on tavaliselt väljendatud amper-tunnis (Ah). Sõltuvalt tegelikust olukorrast võib aku mahtuvuse jagada veel teoreetiliseks, tegelikuks võimsuseks ja nimivõimsuseks.

Teoreetiline võimsus (Co) viitab elektrienergia kogusele, mida on võimalik pakkuda ideaalsetes tingimustes, kui aktiivne materjal osaleb täielikult aku elektrokeemilises reaktsioonis. See väärtus arvutatakse aktiivse materjali massi põhjal, järgides Faraday seadust. Faraday seadus ütleb, et elektroodi reaktsioonis osaleva materjali massi ja selle ülekantava laengu hulga vahel on otsene proportsionaalne seos; kui 1 mol aktiivset materjali osaleb aku elektrokeemilises protsessis, võib see vabastada laengu, mis on võrdne 26,8 A·h või 1 faradiga (F). Seetõttu on olemas järgmine arvutusvalem:

Valemis on m toimeaine mass, kui see täielikult reageerib; n on voolureaktsiooni käigus saadud või kaotatud elektronide arv; ja M on toimeaine molaarmass.

Valemis nimetatakse K-d toimeaine elektrokeemiliseks ekvivalendiks.

Nagu on näidatud võrrandis (1.5), on elektroodi teoreetiline võimsus seotud aktiivse materjali massi ja elektrokeemilise ekvivalendiga. Sama aktiivse materjali massiga, mida väiksem on elektrokeemiline ekvivalent, seda suurem on teoreetiline võimsus. Mõnede elektroodide materjalide elektrokeemilised ekvivalendid on toodud tabelis 1-3.

Tabel 1-3 Mõnede elektroodide materjalide elektrokeemilised ekvivalendid

Lisaks kasutatakse sageli tegeliku võimsuse ja nimivõimsuse mõisteid. Tegelik võimsus viitab elektrienergia koguhulgale, mida aku suudab teatud tühjenemistingimustes pakkuda. Tegelikku võimsust ei piira mitte ainult teoreetiline maksimumväärtus, vaid ka konkreetsed tühjendustingimused.

Nimimaht on seevastu aku jaoks projekteerimis- ja tootmisprotsessi ajal kehtestatud standard; see on minimaalne väljundvõimsus, mille aku peaks saavutama kindlaksmääratud tühjenemistingimustes, mida nimetatakse ka nimivõimsuseks.

Kui võrrelda eri tüüpi akusid samas seerias, kasutatakse hindamiseks tavaliselt spetsiifilist võimsust. Täpsemalt viitab erivõimsus elektrienergia hulka, mida aku suudab pakkuda massi- või ruumalaühiku kohta, st massispetsiifilist võimsust (Ah/kg) ja mahulist erivõimsust (Ah/L). Oluline on märkida, et aku massi ja ruumala arvutamisel tuleb lisaks elektroodi materjalide ja elektrolüüdi arvestamisele arvestada ka teisi aku komponente, nagu korpus, eraldaja ja sellega seotud juhtivad komponendid. Eelkõige akupatareide ja kütuseelementide puhul sisaldab kogumass ja -maht ka kõiki vajalikke abiseadmeid, nagu mahutid vedelike hoidmiseks, aktiveerimisseadmed (akumulatsioonipatareide jaoks) või aktiivmaterjalide salvestus- ja etteandesüsteemid, juhtimissüsteemid, küttesõlmed jne (kütuseelementide jaoks).

Võttes kasutusele erimahtuvuse mõiste, saame võrrelda erinevat tüüpi ja suurusega akude jõudlust. Aku mahutavus jaguneb teoreetiliseks ja tegelikuks mahutavaks; vastavalt sellele on spetsiifilisel võimsusel ka teoreetilised ja tegelikud aspektid.

Energia ja erienergia

Akuenergia viitab aku elektrienergia kogutoodangule teatud tühjenemistingimustes töötamisel, väljendatuna üldiselt vatt{0}}tundides (W·h). Aku energial on ka teoreetiline energia ja tegelik energia.

Eeldades, et aku jääb tühjenemise ajal tasakaalu ja selle tühjenemispinge on konstantne võrdne tema elektromotoorjõuga ning samuti eeldades, et kõik aktiivsed materjalid osalevad keemilises reaktsioonis, siis peaks aku poolt antav energia olema võrdne selle teoreetilise maksimaalse energiaga Wo.

Aku teoreetiline energia on maksimaalne -mahuta töö, mida aku teeb püsiva temperatuuri, konstantse rõhu ja pöörduva tühjenemise tingimustes.

Tegelik energia (W) viitab energiale, mida aku teatud tühjenemistingimustes tegelikult annab. See saadakse arvuliselt, korrutades tegeliku võimsuse keskmise tööpingega. Kuna aku sees olevaid aktiivseid materjale ei saa täielikult ära kasutada ja selle tööpinge on tavaliselt madalam kui teoreetiline elektromotoorjõud, on tegelik energia alati väiksem kui teoreetiline energia.

Erienergia viitab energiale, mida aku vabastab massi- või ruumalaühiku kohta. Väljundenergia aku massiühiku kohta on määratletud massispetsiifilise energiana, mida mõõdetakse tavaliselt vatt{1}}tundides kilogrammi kohta (Wh/kg). Väljundenergia aku mahuühiku kohta on määratletud mahulise erienergiana, mida tavaliselt väljendatakse vatt{3}}tundides liitri kohta (Wh/L). Lisaks saab erienergia kontseptsiooni jagada teoreetiliseks (W) ja tegelikuks (W), kus teoreetilise massi erienergia saab arvutada võrrandi (1.9) abil:

Valemis on K+ positiivse elektroodi materjali elektrokeemiline ekvivalent; K- on negatiivse elektroodi materjali elektrokeemiline ekvivalent; ja E on aku elektromotoorjõud.

Võimsus ja erivõimsus

Aku võimsus viitab aku energiaväljundile ajaühiku kohta teatud tühjenemise tingimustes ja selle mõõtühikuks on vatt (W) või kilovatt (kW). Kui seda väljundvõimsust arvestada aku massi või mahuga, saadakse erivõimsuse mõiste. Täpsemalt, massispetsiifiline võimsus mõõdab, kui palju vatti võimsust suudab aku ühikmass pakkuda, ja selle ühik on W/kg; samas kui mahuline erivõimsus peegeldab aku mahuühiku genereeritud võimsust ja sellele vastav ühik on W/L.

Võimsus ja erivõimsus näitavad aku tühjenemise määra. Suurem aku võimsus tähendab, et aku võib tühjeneda suure voolu või suure kiirusega. Näiteks tsink-hõbedane aku võib saavutada keskmise voolutihedusega tühjenemisel erivõimsuse üle 100 W/kg, mis näitab madalat sisetakistust ja head suure -määraga tühjenemist. Seevastu tsink-mangaankuivpatarei suudab madala voolutihedusega töötades saavutada ainult 10 W/kg erivõimsust, mis näitab suurt sisetakistust ja halba suure-kiirusega tühjenemist. Sarnaselt aku energiale on võimsusel ka teoreetiline võimsus ja tegelik võimsus.

Aku teoreetilist võimsust saab väljendada järgmiselt:

Valemis t on aeg; Co on aku teoreetiline mahutavus; ja mina olen praegune.

Aku tegelik võimsus peaks olema:

Valemis I²R tähistab aku sisemise takistuse poolt tarbitavat võimsust. See võimsus on rakendatud koormuse jaoks kasutu; see muundatakse sisuliselt soojusenergiaks ja vabaneb soojusena.

Tsükli eluiga

Akude puhul on tsükli eluiga või kasutustsükkel üks peamisi näitajaid aku jõudluse hindamisel. Iga täielikku laadimis{1}}tühjenemistsüklit loetakse aku perioodiks.

Konkreetsete laadimis--tühjenemistingimuste korral määratletakse tsüklite arv, mida aku talub, enne kui selle maht langeb teatud kindla väärtuseni, selle tsükli eluea või kasutustsüklina. Mida pikem on tsükli eluiga, seda parem on aku tsükli jõudlus. Erinevat tüüpi akudel on erinev tsükli eluiga; näiteks nikkel-kaadmiumpatareidel on võimalik saavutada tuhandeid tsükleid, samas kui tsink-hõbepatareidel on suhteliselt vähem tsükleid, mõnel isegi alla saja. Väärib märkimist, et isegi sama tüüpi akudel võib nende sisestruktuuri erinevuste tõttu olla erinev tööiga.

Aku tööiga mõjutavad mitmed tegurid. Lisaks õigele kasutamisele ja hooldusele kehtivad ka järgmised põhiaspektid: ① Laadimis{1}}tühjenemistsüklite ajal väheneb aktiivse materjali pindala järk-järgult, mis toob kaasa töövoolu tiheduse suurenemise ja polarisatsiooni tugevnemise; ② Elektroodide aktiivsed komponendid võivad eralduda või üle kanda; ③ Aku töötamise ajal võivad mõned elektroodide materjalid olla korrodeerunud; ④ Jalgrattasõidu ajal elektroodidele moodustunud dendriidid võivad põhjustada aku sees lühiseid; ⑤ Separaator võib olla kahjustatud; ⑥ Aktiivse materjali kristallide morfoloogia muutub korduvate laadimis{2}}tühjenemistsüklite ajal, vähendades seeläbi selle aktiivsust.

Salvestusvõime

Aku salvestamise jõudlus viitab aku loomuliku energiakadu määrale, kui see on avatud{0}}vooluringis teatud keskkonnatingimustes (nt temperatuur ja niiskus). Seda nähtust nimetatakse ka isetühjenemiseks-. Kui energiakao osakaal salvestamise ajal on väike, näitab see, et aku salvestusvõime on suurepärane.

Kui aku on avatud-vooluringis, kuigi see ei varusta väljapoole elektrienergiat, läbib see siiski isetühjenemise. See nähtus on peamiselt tingitud elektroodide termodünaamilisest ebastabiilsusest elektrolüütide keskkonnas, mis põhjustab elektroodide vahelisi spontaanseid redoksreaktsioone. Isegi kuivades tingimustes, kui tihend ei ole piisavalt tihe, võib välistegurite (nt õhu või niiskuse) imbumine ikkagi käivitada aku sees isetühjenemise.

Isetühjenemise määra saab{0}}väljendada ka päevade arvuna, mis kulub aku mahutavuse vähenemiseks säilitamisel määratud väärtuseni, mida nimetatakse säilivusajaks. Säilivusaeg on kuiv ja märg. Näiteks akut, ilma enne kasutamist elektrolüüti lisamata, saab pikka aega säilitada; sellisel akul võib olla pikk kuivav säilivusaeg. Elektrolüüdiga hoiustamist nimetatakse märghoiuks; märg säilitamine annab tugevama isetühjenemise{4}}efekti ja suhteliselt lühema säilivusaja märjal kujul. Näiteks võib tsink-hõbepatarei säilivusaeg kuivana olla 5–8 aastat, märgpatarei säilivusaeg aga tavaliselt vaid paar kuud.