बॅटरी डिस्चार्ज वक्र कसे वाचायचे

बॅटरी डिस्चार्ज वक्र कसे वाचायचे

बॅटरी जटिल इलेक्ट्रोकेमिकल आणि थर्मोडायनामिक प्रणाली आहेत आणि त्यांच्या कार्यक्षमतेवर अनेक घटक परिणाम करतात. अर्थात, बॅटरी रसायनशास्त्र हा सर्वात महत्त्वाचा घटक आहे. तथापि, विशिष्ट अनुप्रयोगासाठी कोणत्या प्रकारची बॅटरी सर्वात योग्य आहे हे समजून घेताना, चार्ज डिस्चार्ज रेट, ऑपरेटिंग तापमान, स्टोरेज परिस्थिती आणि भौतिक संरचना तपशील यासारख्या घटकांचा विचार करणे देखील आवश्यक आहे. प्रथम, अनेक संज्ञा परिभाषित करणे आवश्यक आहे:

★ ओपन सर्किट व्होल्टेज (Voc) हे बॅटरीवर कोणतेही लोड नसताना बॅटरी टर्मिनल्समधील व्होल्टेज असते.

★ टर्मिनल व्होल्टेज (Vt) म्हणजे बॅटरीवर लोड लागू झाल्यावर बॅटरी टर्मिनल्समधील व्होल्टेज; सहसा Voc पेक्षा कमी.

कट-ऑफ व्होल्टेज (Vco) हे व्होल्टेज आहे ज्यावर निर्दिष्ट केल्याप्रमाणे बॅटरी पूर्णपणे डिस्चार्ज होते. सामान्यतः बॅटरीची उर्जा शिल्लक असली तरी, Vco खाली व्होल्टेजवर काम केल्याने बॅटरी खराब होऊ शकते.

★ क्षमता Vt Vco पर्यंत पोहोचेपर्यंत बॅटरी पूर्ण चार्ज केल्यावर प्रदान करू शकणारे एकूण अँपिअर तास (AH) मोजते.

चार्ज डिस्चार्ज रेट (सी-रेट) हा बॅटरी चार्ज किंवा डिस्चार्ज केलेल्या क्षमतेच्या सापेक्ष दर आहे. उदाहरणार्थ, 1C चा दर 1 तासाच्या आत बॅटरी पूर्णपणे चार्ज करेल किंवा डिस्चार्ज करेल. 0.5C च्या डिस्चार्ज दराने, बॅटरी 2 तासांच्या आत पूर्णपणे डिस्चार्ज होईल. उच्च सी-रेट वापरल्याने सामान्यत: उपलब्ध बॅटरीची क्षमता कमी होते आणि बॅटरी खराब होऊ शकते.

★ बॅटरी चार्जिंग स्टेट (SoC) उर्वरित बॅटरी क्षमतेची कमाल क्षमतेची टक्केवारी म्हणून परिमाण करते. जेव्हा SoC शून्यावर पोहोचते आणि Vt Vco वर पोहोचते, तेव्हा बॅटरीमध्ये बॅटरीची उर्जा शिल्लक असू शकते, परंतु बॅटरीचे नुकसान न करता आणि भविष्यातील क्षमतेवर परिणाम न करता, बॅटरी आणखी डिस्चार्ज केली जाऊ शकत नाही.

★ डिस्चार्ज डेप्थ (DoD) हे SoC चे पूरक आहे, जे डिस्चार्ज केलेल्या बॅटरी क्षमतेची टक्केवारी मोजते; DoD=100- SoC.

① सायकल लाइफ म्हणजे बॅटरीचे सेवा आयुष्य संपण्यापूर्वी उपलब्ध सायकलची संख्या.

बॅटरी लाइफची समाप्ती (EoL) पूर्वनिर्धारित किमान वैशिष्ट्यांनुसार बॅटरी ऑपरेट करण्यास असमर्थतेचा संदर्भ देते. EoL चे प्रमाण विविध प्रकारे केले जाऊ शकते:

① क्षमता क्षय हे निर्दिष्ट परिस्थितीत रेट केलेल्या क्षमतेच्या तुलनेत बॅटरी क्षमतेमध्ये दिलेल्या टक्केवारीच्या घटावर आधारित आहे.

② पॉवर ॲटेन्युएशन हे निर्दिष्ट परिस्थितीत रेट केलेल्या पॉवरच्या तुलनेत दिलेल्या टक्केवारीत बॅटरीच्या कमाल पॉवरवर आधारित आहे.

③ उर्जा थ्रूपुट विशिष्ट ऑपरेटिंग परिस्थितीच्या आधारावर बॅटरीने तिच्या कार्यकाळात 30MWh सारख्या एकूण उर्जेवर प्रक्रिया करणे अपेक्षित आहे.

★ बॅटरीची आरोग्य स्थिती (SoH) EoL पर्यंत पोहोचण्यापूर्वी शिल्लक असलेल्या उपयुक्त आयुष्याची टक्केवारी मोजते.

ध्रुवीकरण वक्र

डिस्चार्ज प्रक्रियेदरम्यान बॅटरीच्या ध्रुवीकरण प्रभावावर आधारित बॅटरी डिस्चार्ज वक्र तयार होतो. सी-रेट आणि ऑपरेटिंग तापमान यांसारख्या वेगवेगळ्या ऑपरेटिंग परिस्थितींमध्ये बॅटरी पुरवू शकणारी ऊर्जा, डिस्चार्ज वक्र अंतर्गत असलेल्या क्षेत्राशी जवळून संबंधित आहे. डिस्चार्ज प्रक्रियेदरम्यान, बॅटरीची Vt कमी होईल. Vt मधील घट अनेक मुख्य घटकांशी संबंधित आहे:

✔ IR ड्रॉप - बॅटरीच्या अंतर्गत प्रतिकारातून विद्युत् प्रवाह गेल्याने बॅटरी व्होल्टेजमध्ये घट. हा घटक स्थिर तापमानासह तुलनेने उच्च डिस्चार्ज दराने रेषीयपणे वाढतो.

✔ सक्रियकरण ध्रुवीकरण - इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइट्स यांच्यातील जंक्शनवर आयनांनी मात करणे आवश्यक असलेल्या कामाच्या कार्यासारख्या इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियांच्या गतीशास्त्राशी संबंधित विविध मंदीकरण घटकांचा संदर्भ देते.

✔ एकाग्रता ध्रुवीकरण - हा घटक एका इलेक्ट्रोडमधून दुसऱ्या इलेक्ट्रोडमध्ये वस्तुमान हस्तांतरण (प्रसरण) दरम्यान आयनांना होणारा प्रतिकार लक्षात घेतो. जेव्हा लिथियम-आयन बॅटरी पूर्णपणे डिस्चार्ज होतात तेव्हा हा घटक वर्चस्व गाजवतो आणि वक्राचा उतार खूप उंच होतो.

बॅटरीचे ध्रुवीकरण वक्र (डिस्चार्ज वक्र) Vt (बॅटरी क्षमता) वर IR कमी, सक्रियकरण ध्रुवीकरण आणि एकाग्रता ध्रुवीकरणाचे एकत्रित परिणाम दर्शविते. (प्रतिमा: Biologic)

डिस्चार्ज वक्र विचार

बॅटरी विस्तृत अनुप्रयोगांसाठी डिझाइन केल्या आहेत आणि विविध कार्यप्रदर्शन वैशिष्ट्ये प्रदान करतात. उदाहरणार्थ, किमान सहा मूलभूत लिथियम आयन रासायनिक प्रणाली आहेत, प्रत्येकाची स्वतःची वैशिष्ट्यपूर्ण वैशिष्ट्ये आहेत. डिस्चार्ज वक्र सहसा Y-अक्षावर Vt सह प्लॉट केले जाते, तर SoC (किंवा DoD) X-अक्षावर प्लॉट केले जाते. बॅटरीची कार्यक्षमता आणि सी-रेट आणि ऑपरेटिंग तापमान यासारख्या विविध पॅरामीटर्समधील परस्परसंबंधामुळे, प्रत्येक बॅटरी रासायनिक प्रणालीमध्ये विशिष्ट ऑपरेटिंग पॅरामीटर संयोजनांवर आधारित डिस्चार्ज वक्रांची मालिका असते. उदाहरणार्थ, खालील आकृती दोन सामान्य लिथियम-आयन रासायनिक प्रणाली आणि लीड-ऍसिड बॅटरीच्या खोलीच्या तपमानावर आणि 0.2C डिस्चार्ज दराची तुलना करते. डिस्चार्ज कर्वचा आकार डिझायनर्ससाठी खूप महत्त्वाचा आहे.

सपाट डिस्चार्ज वक्र विशिष्ट ऍप्लिकेशन डिझाइन सुलभ करू शकते, कारण संपूर्ण डिस्चार्ज सायकलमध्ये बॅटरी व्होल्टेज तुलनेने स्थिर राहते. दुसरीकडे, स्लोप वक्र अवशिष्ट चार्जचा अंदाज सुलभ करू शकतो, कारण बॅटरी व्होल्टेज बॅटरीमधील अवशिष्ट चार्जशी जवळून संबंधित आहे. तथापि, फ्लॅट डिस्चार्ज वक्र असलेल्या लिथियम-आयन बॅटरीसाठी, अवशिष्ट चार्जचा अंदाज लावण्यासाठी अधिक जटिल पद्धतींची आवश्यकता असते, जसे की कुलॉम्ब मोजणी, जी बॅटरीच्या डिस्चार्ज करंटचे मोजमाप करते आणि अवशिष्ट चार्जचा अंदाज लावण्यासाठी कालांतराने विद्युत् प्रवाह समाकलित करते.

या व्यतिरिक्त, खालच्या दिशेने स्लोपिंग डिस्चार्ज वक्र असलेल्या बॅटरीस संपूर्ण डिस्चार्ज सायकलमध्ये शक्ती कमी होते. डिस्चार्ज सायकलच्या शेवटी उच्च-शक्तीच्या अनुप्रयोगांना समर्थन देण्यासाठी 'अतिरिक्त आकाराची' बॅटरी आवश्यक असू शकते. सामान्यतः बूस्ट व्होल्टेज रेग्युलेटर वापरून संवेदनशील उपकरणे आणि सिस्टीम वापरून बॅटरी वापरणे आवश्यक असते ज्यात स्टीप डिस्चार्ज वक्र असतात.

लिथियम-आयन बॅटरीचे डिस्चार्ज वक्र खालीलप्रमाणे आहे, जे दर्शविते की जर बॅटरी खूप उच्च दराने (किंवा उलट, कमी दराने) डिस्चार्ज केली गेली तर प्रभावी क्षमता कमी होईल (किंवा वाढेल). याला क्षमता शिफ्ट म्हणतात, आणि हा परिणाम बहुतेक बॅटरी रसायनशास्त्र प्रणालींमध्ये सामान्य आहे.

C दर वाढल्याने लिथियम-आयन बॅटरीची व्होल्टेज आणि क्षमता कमी होते. (प्रतिमा: रिचटेक)

कार्यरत तापमान हे एक महत्त्वाचे पॅरामीटर आहे जे बॅटरी कार्यक्षमतेवर परिणाम करते. अतिशय कमी तापमानात, पाणी-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स असलेल्या बॅटरी गोठू शकतात, ज्यामुळे त्यांच्या ऑपरेटिंग तापमान श्रेणीची निम्न मर्यादा मर्यादित होते. लिथियम आयन बॅटरी कमी तापमानात नकारात्मक इलेक्ट्रोड लिथियम जमा होण्याचा अनुभव घेऊ शकतात, ज्यामुळे क्षमता कायमची कमी होते. उच्च तापमानात, रसायने विघटित होऊ शकतात आणि बॅटरी काम करणे थांबवू शकते. अतिशीत आणि रासायनिक नुकसान दरम्यान, बॅटरीची कार्यक्षमता सामान्यत: तापमान बदलांसह लक्षणीयरीत्या बदलते.

खालील आकृती लिथियम-आयन बॅटरीच्या कार्यक्षमतेवर वेगवेगळ्या तापमानांचा प्रभाव दर्शवते. अत्यंत कमी तापमानात, कार्यक्षमता लक्षणीयरीत्या कमी होऊ शकते. तथापि, बॅटरी डिस्चार्ज वक्र हा बॅटरी कार्यक्षमतेचा एक पैलू आहे. उदाहरणार्थ, लिथियम-आयन बॅटरीचे ऑपरेटिंग तापमान आणि खोलीचे तापमान (मग ते उच्च किंवा कमी तापमान) यांच्यातील विचलन जितके जास्त असेल तितके सायकलचे आयुष्य कमी होईल. विशिष्ट ऍप्लिकेशन्ससाठी, विविध बॅटरी केमिकल सिस्टीमच्या लागू होण्यावर परिणाम करणाऱ्या सर्व घटकांचे संपूर्ण विश्लेषण या लेखाच्या बॅटरी डिस्चार्ज कर्वच्या व्याप्तीच्या पलीकडे आहे. वेगवेगळ्या बॅटरीच्या कार्यक्षमतेचे विश्लेषण करण्यासाठी इतर पद्धतींचे उदाहरण म्हणजे लगोन प्लॉट.

बॅटरी व्होल्टेज आणि क्षमता तापमानावर अवलंबून असते. (प्रतिमा: रिचटेक)

लगोन भूखंड

लगून आकृती वेगवेगळ्या ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानाची विशिष्ट शक्ती आणि विशिष्ट ऊर्जा यांची तुलना करते. उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रिक वाहनांच्या बॅटरीचा विचार करताना, विशिष्ट ऊर्जा श्रेणीशी संबंधित असते, तर विशिष्ट शक्ती प्रवेग कामगिरीशी संबंधित असते.

विशिष्ट ऊर्जा आणि विविध तंत्रज्ञानाची विशिष्ट शक्ती यांच्यातील संबंधांची तुलना करणारा रॅगोन आकृती. (प्रतिमा: रिसर्चगेट)

लॅगून आकृती वस्तुमान ऊर्जा घनता आणि उर्जा घनतेवर आधारित आहे आणि त्यात व्हॉल्यूम पॅरामीटर्सशी संबंधित कोणतीही माहिती समाविष्ट नाही. जरी मेटलर्जिस्ट डेव्हिड व्ही. लागोन यांनी विविध बॅटरी रसायनशास्त्राच्या कामगिरीची तुलना करण्यासाठी हे तक्ते विकसित केले असले तरी, लगोन चार्ट कोणत्याही ऊर्जा साठवण आणि ऊर्जा उपकरणांच्या संचाची तुलना करण्यासाठी देखील योग्य आहे, जसे की इंजिन, गॅस टर्बाइन आणि इंधन पेशी.

Y-अक्षावरील विशिष्ट उर्जा आणि X-अक्षावरील विशिष्ट उर्जा यांच्यामध्ये गुणोत्तर हे उपकरण रेटेड पॉवरवर किती तास चालते. यंत्राचा आकार या संबंधावर परिणाम करत नाही, कारण मोठ्या उपकरणांमध्ये प्रमाणानुसार उच्च शक्ती आणि ऊर्जा क्षमता असेल. लॅगून आकृतीवरील स्थिर कार्यकाळ दर्शविणारी समसांक्रोनस वक्र ही सरळ रेषा आहे.

सारांश

बॅटरीचा डिस्चार्ज वक्र आणि विशिष्ट बॅटरी रसायनशास्त्राशी संबंधित डिस्चार्ज वक्र फॅमिली बनवणारे विविध पॅरामीटर्स समजून घेणे महत्त्वाचे आहे. जटिल इलेक्ट्रोकेमिकल आणि थर्मोडायनामिक प्रणालींमुळे, बॅटरीचे डिस्चार्ज वक्र देखील जटिल आहेत, परंतु ते विविध बॅटरी रसायनशास्त्र आणि संरचनांमधील कार्यप्रदर्शन ट्रेड-ऑफ समजून घेण्याचा एक मार्ग आहेत.