Cara membaca kurva pengosongan baterai

Cara membaca kurva pengosongan baterai

Baterai adalah sistem elektrokimia dan termodinamika yang kompleks, dan banyak faktor yang mempengaruhi kinerjanya. Tentu saja, kimia baterai adalah faktor yang paling penting. Namun, ketika memahami jenis baterai mana yang paling cocok untuk aplikasi tertentu, penting juga untuk mempertimbangkan faktor-faktor seperti laju pelepasan muatan, suhu pengoperasian, kondisi penyimpanan, dan detail struktur fisik. Pertama, beberapa istilah perlu didefinisikan:

★ Tegangan rangkaian terbuka (Voc) adalah tegangan antara terminal baterai ketika tidak ada beban pada baterai.

★ Tegangan terminal (Vt) adalah tegangan antara terminal baterai ketika beban diterapkan pada baterai; Biasanya lebih rendah dari Voc.

Tegangan pemutus (Vco) adalah tegangan saat baterai habis sepenuhnya, sesuai spesifikasi. Meskipun biasanya masih ada sisa daya baterai, pengoperasian pada tegangan di bawah Vco dapat merusak baterai.

★ Kapasitas mengukur total ampere jam (AH) yang dapat disediakan baterai saat terisi penuh, hingga Vt mencapai Vco.

Laju pengosongan muatan (C-Rate) adalah laju pengisian atau pengosongan baterai relatif terhadap kapasitas terukurnya. Misalnya, kecepatan 1C akan mengisi penuh atau mengosongkan baterai dalam waktu 1 jam. Pada tingkat pengosongan 0,5C, baterai akan terisi penuh dalam waktu 2 jam. Menggunakan C-Rate yang lebih tinggi biasanya mengurangi kapasitas baterai yang tersedia dan dapat merusak baterai.

★ Status pengisian baterai (SoC) menghitung sisa kapasitas baterai sebagai persentase dari kapasitas maksimum. Ketika SoC mencapai nol dan Vt mencapai Vco, mungkin masih ada sisa daya baterai di dalam baterai, namun tanpa merusak baterai dan mempengaruhi kapasitas di masa mendatang, baterai tidak dapat dikosongkan lebih lanjut.

★ Kedalaman pengosongan (DoD) merupakan pelengkap SoC, yang mengukur persentase kapasitas baterai yang telah habis; DoD=100- SoC.

① Masa pakai baterai adalah jumlah siklus yang tersedia sebelum baterai mencapai akhir masa pakainya.

Akhir masa pakai baterai (EoL) mengacu pada ketidakmampuan baterai untuk beroperasi sesuai spesifikasi minimum yang telah ditentukan. EoL dapat diukur dengan berbagai cara:

① Peluruhan kapasitas didasarkan pada persentase penurunan kapasitas baterai dibandingkan dengan kapasitas terukur dalam kondisi tertentu.

② Redaman daya didasarkan pada daya maksimum baterai pada persentase tertentu dibandingkan dengan daya pengenal dalam kondisi tertentu.

③ Throughput energi mengkuantifikasi jumlah total energi yang diharapkan dapat diproses oleh baterai selama masa pakainya, misalnya 30MWh, berdasarkan kondisi pengoperasian tertentu.

★ Status kesehatan (SoH) baterai mengukur persentase sisa masa pakai sebelum mencapai EoL.

Kurva polarisasi

Kurva pengosongan baterai terbentuk berdasarkan efek polarisasi baterai yang terjadi selama proses pengosongan. Jumlah energi yang dapat disediakan baterai dalam kondisi pengoperasian yang berbeda, seperti laju C dan suhu pengoperasian, berkaitan erat dengan area di bawah kurva pelepasan. Selama proses pengosongan, Vt baterai akan berkurang. Penurunan Vt berhubungan dengan beberapa faktor utama:

✔ Penurunan IR - Penurunan tegangan baterai yang disebabkan oleh arus yang melewati resistansi internal baterai. Faktor ini meningkat secara linier pada laju pelepasan yang relatif tinggi, dengan suhu yang konstan.

✔ Polarisasi aktivasi - mengacu pada berbagai faktor perlambatan yang terkait dengan kinetika reaksi elektrokimia, seperti fungsi kerja yang harus diatasi ion pada persimpangan antara elektroda dan elektrolit.

✔ Polarisasi konsentrasi - Faktor ini memperhitungkan hambatan yang dihadapi ion selama perpindahan massa (difusi) dari satu elektroda ke elektroda lainnya. Faktor ini mendominasi ketika baterai litium-ion benar-benar habis dan kemiringan kurvanya menjadi sangat curam.

Kurva polarisasi (kurva pengosongan) baterai menunjukkan efek kumulatif penurunan IR, polarisasi aktivasi, dan polarisasi konsentrasi pada Vt (potensial baterai). (Gambar: BioLogis)

Pertimbangan kurva debit

Baterai telah dirancang untuk berbagai aplikasi dan memberikan berbagai karakteristik kinerja. Misalnya, setidaknya ada enam sistem kimia dasar ion litium, yang masing-masing memiliki rangkaian fitur uniknya sendiri. Kurva debit biasanya diplot dengan Vt pada sumbu Y, sedangkan SoC (atau DoD) diplot pada sumbu X. Karena korelasi antara kinerja baterai dan berbagai parameter seperti laju C dan suhu pengoperasian, setiap sistem kimia baterai memiliki serangkaian kurva pelepasan berdasarkan kombinasi parameter pengoperasian tertentu. Misalnya, gambar berikut membandingkan kinerja pengosongan dua sistem kimia litium-ion umum dan baterai timbal-asam pada suhu kamar dan laju pengosongan 0,2C. Bentuk kurva pelepasan sangat penting bagi para desainer.

Kurva pengosongan yang datar dapat menyederhanakan desain aplikasi tertentu, karena tegangan baterai tetap relatif stabil sepanjang siklus pengosongan. Di sisi lain, kurva kemiringan dapat menyederhanakan estimasi sisa muatan, karena tegangan baterai berkaitan erat dengan sisa muatan baterai. Namun, untuk baterai lithium-ion dengan kurva pengosongan datar, memperkirakan muatan sisa memerlukan metode yang lebih kompleks, seperti penghitungan Coulomb, yang mengukur arus pengosongan baterai dan mengintegrasikan arus dari waktu ke waktu untuk memperkirakan muatan sisa.

Selain itu, baterai dengan kurva pengosongan yang miring ke bawah mengalami penurunan daya sepanjang siklus pengosongan. Baterai 'ukuran berlebih' mungkin diperlukan untuk mendukung aplikasi berdaya tinggi di akhir siklus pengosongan. Biasanya diperlukan pengatur tegangan penambah untuk memberi daya pada perangkat dan sistem sensitif yang menggunakan baterai dengan kurva pelepasan yang curam.

Berikut ini adalah kurva pengosongan baterai lithium-ion, yang menunjukkan bahwa jika baterai dikosongkan dengan kecepatan yang sangat tinggi (atau sebaliknya, dengan kecepatan yang rendah), kapasitas efektif akan berkurang (atau bertambah). Hal ini disebut pergeseran kapasitas, dan efek ini umum terjadi pada sebagian besar sistem kimia baterai.

Tegangan dan kapasitas baterai lithium-ion menurun seiring dengan meningkatnya laju C. (Gambar: Richtek)

Suhu kerja merupakan parameter penting yang mempengaruhi kinerja baterai. Pada suhu yang sangat rendah, baterai dengan elektrolit berbahan dasar air dapat membeku, sehingga membatasi batas bawah kisaran suhu pengoperasiannya. Baterai litium ion dapat mengalami pengendapan litium elektroda negatif pada suhu rendah, sehingga mengurangi kapasitas secara permanen. Pada suhu tinggi, bahan kimia dapat terurai dan baterai berhenti bekerja. Antara pembekuan dan kerusakan akibat bahan kimia, kinerja baterai biasanya sangat bervariasi seiring dengan perubahan suhu.

Gambar berikut menunjukkan dampak suhu yang berbeda terhadap kinerja baterai lithium-ion. Pada suhu yang sangat rendah, kinerja dapat menurun secara signifikan. Namun, kurva pengosongan baterai hanyalah salah satu aspek kinerja baterai. Misalnya, semakin besar perbedaan antara suhu pengoperasian baterai lithium-ion dan suhu ruangan (baik pada suhu tinggi atau rendah), semakin rendah masa pakainya. Untuk aplikasi spesifik, analisis lengkap terhadap semua faktor yang mempengaruhi penerapan berbagai sistem kimia baterai berada di luar cakupan kurva pelepasan baterai dalam artikel ini. Contoh metode lain untuk menganalisis kinerja baterai yang berbeda adalah plot Lagone.

Tegangan dan kapasitas baterai bergantung pada suhu. (Gambar: Richtek)

Plot laguna

Diagram Lagoon membandingkan daya spesifik dan energi spesifik dari berbagai teknologi penyimpanan energi. Misalnya, ketika mempertimbangkan baterai kendaraan listrik, energi spesifik berkaitan dengan jangkauan, sedangkan daya spesifik berkaitan dengan performa akselerasi.

Diagram Ragone yang membandingkan hubungan antara energi spesifik dan daya spesifik berbagai teknologi. (Gambar: Gerbang Penelitian)

Diagram Lagoon didasarkan pada kepadatan energi massa dan kepadatan daya, dan tidak mencakup informasi apa pun terkait parameter volume. Meskipun ahli metalurgi David V. Lagone mengembangkan bagan ini untuk membandingkan kinerja berbagai bahan kimia baterai, bagan Lagone juga cocok untuk membandingkan kumpulan penyimpanan energi dan perangkat energi, seperti mesin, turbin gas, dan sel bahan bakar.

Rasio antara energi spesifik pada sumbu Y dan daya spesifik pada sumbu X adalah jumlah jam perangkat beroperasi pada daya terukur. Ukuran perangkat tidak mempengaruhi hubungan ini, karena perangkat yang lebih besar akan memiliki daya dan kapasitas energi yang lebih tinggi secara proporsional. Kurva isokron yang mewakili waktu pengoperasian konstan pada diagram Lagoon adalah garis lurus.

Ringkasan

Penting untuk memahami kurva pengosongan baterai dan berbagai parameter yang membentuk kelompok kurva pengosongan yang terkait dengan kimia baterai tertentu. Karena sistem elektrokimia dan termodinamika yang kompleks, kurva pelepasan baterai juga rumit, namun kurva tersebut hanyalah cara untuk memahami trade-off kinerja antara berbagai kimia dan struktur baterai.