כיצד לחשב את יעילות האנרגיה של סוללות: מדריך צעד-על-ידי-צעד למהנדסים

הבנת אנרגיה סוללה

יעילות האנרגיה של סוללה מייצגת מדד ביצועים בסיסי כי מהנדסים וחוקרים משתמשים כדי להעריך מערכות אחסון אנרגיה.היכולת של סוללה להחזיק ולשחרר אנרגיה חשמלית עם כמות הפסד לפחות ידועה יעילות שלה, ביטא כאחוז המייצג את היחס של פלט אנרגיה לקלט במהלך טעינת הסוללה ותהליכי פירוק.זה משפיע ישירות על עלויות תפעוליות, ביצועים מערכתיים, וקיימות סביבתית על פני יישומים ניידים לאחסון אנרגיה.

כל הסוללות יש הפסדים, והאנרגיה שננקטה לאחר תשלום היא תמיד פחות ממה שהוכנס.הבנת ההפסדים הללו וכדאיות חישובית מדויקת מאפשרת למהנדסים לייעל את עיצוב מערכת סוללות, לחזות תוחלת חיים ולקבל החלטות מושכלות לגבי בחירת סוללות עבור יישומים ספציפיים.

סוגי סוללות יעילות

יעילות סוללה אינה מדידה אחת, אלא כוללת מספר מדדים נפרדים, כל אחד מהם מספק תובנות ייחודיות לביצוע סוללות.מהנדסים חייבים להבין את ההבדלים בין מדדים אלה כדי להעריך במדויק מערכות סוללות.

אנרגיה יעילה

יעילות האנרגיה היא מדד לכמות האנרגיה שניתן לקחת מהסוללה בהשוואה לכמות האנרגיה שהואשמה לסוללה לפני כן, זהו המדד המעשי ביותר עבור יישומים בעולם האמיתי, כי היא מהווה את כל ההפסדים באנרגיה במהלך מחזור הטעינה בתשלום.יעילות האנרגיה יש השפעה חשובה על הכלכלה של ניתוח סוללות כי יש לפצות על ידי רכישת אנרגיה נוספת.

יעילות האנרגיה מחושבת על ידי מדידה של וואט-שעה הכולל (Wh) מועבר במהלך השחרור מחולק על ידי סך וואט-שעה הנצרך במהלך הטעינה, ולאחר מכן להכפיל את 100 כדי לבטא כאחוז.מדד זה לוכד את שני המתח ואת הריאציות הנוכחיות לאורך כל המחזור, מתן תצוגה מקיפה של ביצועי סוללה.

יעילות קומולמבית

יעילות קואלומבית (CE), הנקראת גם יעילות מרחיקת לכת או יעילות נוכחית, מתארת את יעילות הטעינה של אילו אלקטרונים מועברים סוללות, והיא היחס של המטען הכולל מופק מהסוללה לסכום הכולל של המטען הכרוך בסוללה על מחזור מלא.יעילות קוטולומיבית היא היחס של אפרד משוחררת אה, המופץ על ידי האהשם.

יעילות קואלומבית רק עוקב אחר המטען והטעון, ומתעלמו מהמתח שבו המטען נע.זה אומר שסוללה עשויה להחזיר 99% מהטעינה שלה, אך במתח נמוך יותר, וכתוצאה מכך יעילות האנרגיה בפועל נמוכה יותר. בעוד יעילות קוסולומיבית של ליתיום-יון היא בדרך כלל טובה יותר מ-99 אחוזים, יעילות האנרגיה של אותה סוללה יש מספר נמוך יותר ומתייחסת לחיוב ולפריטת Crate.

יעילות וולטיאנית

יעילות וולטיאטית היא דרך נוספת למדוד יעילות סוללות, המייצגת את היחס של מתח השחרור הממוצע למתח המטען הממוצע.הפסדים מתרחשים כי מתח הטעינה הוא תמיד גבוה יותר מאשר המתח הדירוג להפעיל את התגובה הכימית בתוך הסוללה. מדד זה עוזר למהנדסים להבין הפסדים הקשורים למתח שאינם תלויים ביעילות העברת המטען.

יחסים בין דחיפות

ערך EE הוא נגזרת של CE ו VE (EE= CE × VE) מערכת יחסים זו מראה כי יעילות האנרגיה תלויה הן בהעברת יעילות והן יעילות מתח.מכיוון ש- ⁇ chg < 1 ו- ⁇ dis chg < 1, מחזור המוצר שלהם חייב להיות אפילו קטן יותר, ולדוגמה, אם הן טעינה וניתוק ניכויים הם 90%, אז יעילות כוללת = 0.

המונחים: Round-Trip Efficiency

מדד מפתח עבור מערכות אחסון אנרגיה הוא כמות האנרגיה המשוחררת לעומת כמות האנרגיה קלט, ואת יחס זה הוא הסבב של Trip Efficiency. סוללות ליתיום-יון, יעילות ה-H יכול להיות מחושבת מהיעילות האנרגיה EE של הסוללה, על ידי מצע האנרגיה הנצרכים על ידי מערכת הקירור ומערכת ניהול הסוללה (BMS).זה חשוב במיוחד עבור יישומים בקנה מידה גדול של אנרגיה שבו הפסדי השפעה משמעותית של מערכת אחסון.

שלב אחר צעד של אנרגיה סוללה

יעילות אנרגיה של סוללות דורש מדידה שיטתית ותשומת לב זהירה לתנאי הבדיקה.ההליך המקיף הבא מבטיח תוצאות מדויקות.

שלב 1: הכינו את ציוד הסוללות והבדיקות

לפני תחילת המדידות, להבטיח שהסוללה היא במצב ידוע של מטען.עבור התוצאות המדויקות ביותר, להתחיל עם סוללה משוחררת לחלוטין.קלבראט כל ציוד המדידה כולל מטר מתח, חיישנים נוכחיים ומערכות ניטור טמפרטורה צריך גם להיות במקום לעקוב אחר מצבים תרמיים לאורך כל הבדיקה.

בחר תשלום הולם וקצבי השחרור המבוססים על מפרט הסוללה והיישומים המיועדים. Document all מפרטים הציוד, תאריכי החשקה, ואי-וודאות מדידה כדי לתמוך בהערכה איכותית של נתונים.

שלב 2: מדד אנרגיה תוך כדי צ'ינג

במהלך שלב הטעינה, מתח שיא רציף (V), הנוכחי (I), וזמן (t) הכוח המיידי מחושב כ- P= V × I. אנרגיה קלט נקבע על ידי שילוב כוח לאורך זמן.עבור מדידות דיסקרטיות שנלקחו במרווחים קבועים, השתמש בנוסחה:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ו) ויקרא: ויקרא י"א ו-[[1924]] ו[[1924]]]]]] ו[[1924]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[1924]] [[1924]] [[[[1924]] [[1924

המשך הטעינה עד שהסוללה מגיעה למתח החיובי שצוין שלה או עד שהזרם המסומן טיפות מתחת לסף הסיום המוגדר על ידי פרוטוקול הטעינה. לרשום את סך כל קלט האנרגיה בוואט שעות.

שלב 3: תנו למנוחה

לאחר השלמת הטעינה, לאפשר לסוללה לנוח לתקופה מוגדרת, בדרך כלל 30 דקות עד כמה שעות בהתאם לכימיה של סוללות ופרוטוקול הבדיקה. תקופת מנוחה זו מאפשרת לסוללה להגיע לאיזון אלקטרוכימי ולייצב באופן תרמי.

תקופת השאר חשובה במיוחד במדידות יעילות מדויקות מכיוון שהיא מאפשרת אפקטים טרנספורמטיביים מטעינה לדיספלציה.חלק מהפרוטוקולים של מבחן מציינים תקופות מנוחה מרובות במדינות שונות של תשלום על מנת לאפיין יעילות בטווח התפעולי.

שלב 4: מדד אנרגיה החוצה במהלך התנתקות

לטעון את הסוללה בקצב שצוין תוך כדי מיפוי מתמיד, זרם, וזמן. הקטנת פלט האנרגיה באמצעות אותה שיטת אינטגרציה כמו טעינה:

(ב) ויקרא י"ד): "וַיְהִיתִיא רָאוּ" (ויקרא י"ד)

המשך ניתוק עד שהסוללה מגיעה למתח הניזון הרשום שלה.מתח זה קריטי לבריאות הסוללה ויש לראותו בקפדנות.רשם את האנרגיה הכוללת שנמסרה במהלך השחרור בוואט-שעה.

זהו חישוב פשוט אם הסוללה מופעלת במחזורים אשר אחראים במלואם ולאחר מכן פריקה מלאה של הסוללה, אבל יישומים רבים כרוכים בטעינה וניתוק כי תלוי וריאציות אקראיות במשאב סולארי ובעומס.

שלב 5: חישוב אנרגיה יעילות

עם הזנת אנרגיה ופלט נמדד, לחשב את יעילות האנרגיה באמצעות הנוסחה הבסיסית:

(ב) ⁇ (%) ⁇ (%) = (אנרגיה אינפוט) × 10003FLT:1

לדוגמה, אם סוללה צרכו 1100 Wh במהלך הטעינה ונשלח 990 Wh במהלך השחרור, יעילות האנרגיה תהיה:

(ב) × 100=90%)

משמעות הדבר היא ש-10% מאנרגיה קלט אבדה במהלך מחזור המטען עקב חוסר יעילות שונים כולל התנגדות פנימית, חומרים אלקטרוכימיים ותופעות לוואי.

שלב 6: תנאי מבחן מסמכים ותוצאות

תיעוד מקיף הוא חיוני לחידוש ופרשנות נתונים.רשם את כל הפרמטרים הרלוונטיים כולל:

• זיהוי סוללות (manufacturer, Model, סדרתי, גיל)
• טמפרטורה וטמפרטורת סוללות מקיפים את המבחן
• שיעורי תשלום ותשלום (C-rate)
• מגבלות לחיוב ושחרור
• משך זמן מנוחה
• ציוד המשמש ומעמד קליברציה
• כל חריגות או סטייה מפרוטוקול סטנדרטי

כתוצאה מכך, תקופת ניתוח ממושכת, T, עשוי להיות נדרש ללכוד מספר (או לפחות אחד) מחזור טעינה מלא, ותקופת ניתוח של שנה אחת כמעט ללא ספק מספיקה, בהתאם לאופן שבו נעשה שימוש בסוללה.

שיטות רגיעה מתקדמות

מעבר לחישוב היעילות הבסיסית של אנרגיה, מספר שיטות מתקדמות מספקות תובנות עמוקות יותר לביצועי סוללות ומאפשרות ניתוח מתוחכם יותר.

חישוב האשמות נפרדות וניכויים

יעילות האנרגיה מחולקת לשלוש קטגוריות, יעילות האנרגיה תחת מטען, יעילות האנרגיה תחת פריקה ויעילות האנרגיה תחת תשלום - חיוב. גורם מפתח בחישוב יעילות האנרגיה מיוחס לפתרון האנרגיה הכימית המאוחסן סוללות (עדיף אנרגיה נטו כאן לאחר מכן), ואנרגיה נטו נקבעת עם משוואה של תפקוד של תפקוד של מתח פתוח (OCV) ומדינת המטען (SOC).

בהתחשב בכך כי אנרגיה כימית Whoused קשה למדוד, קשה לקבוע טעינה אישית וניתוק יעילות ⁇ chg ו ⁇ dis chg, עם זאת, את היעילות של מחזור שלם ניתן לחשב רק על בסיס אנרגיות חשמל ssupplied ו Wdelivered.

מצב המדינה של צ'אנג תלוי ביציבות

יעילות הסוללה משתנה עם מצב של מטען.יעילות הטובה ביותר של כל הסוללות מושגות בטווח הבינוני של טעינה של 30 עד 70 אחוזים. כדי לאפיין התנהגות זו, לבצע מדידות יעילות בחלונות SOC שונים ולא רק מחזורי טעינה מלאים.

גישה זו כוללת טעינה של הסוללה ל- SOC ספציפי, מדידה של קלט האנרגיה, ניתוק ל- SOC נמוך יותר, מדידה של פלט האנרגיה, וקביעת יעילות עבור טווח SOC זה. חזור על התהליך הזה על פני טווחים מרובים כדי ליצור מפת יעילות מראה כיצד הביצועים משתנים לאורך טווח ההפעלה של הסוללה.

אלקטרו-כימיקלי Spectroscopy

השיטה המתקדמת ביותר כוללת מדידת תגובת התדירות של הסוללה לאחר הצגת מתח סינוסאידי או גירוי נוכחי, וניתוח של הדחף המורכב, המייצג את התהליכים הפיזיים והכימיקליים המתרחשים בתוך הסוללה, מאפשר את הניתוק של יעילות סוללות.טכניקה זו מספקת מידע תלוי תדירות על התנגדות פנימית ותהליכים אלקטרוכימיים שתורמים להפסדים יעילות.

גורמים המשפיעים על יעילות האנרגיה של סוללות

גורמים מרובים משפיעים על יעילות האנרגיה של סוללות, מהנדסים חייבים לקחת בחשבון את המשתנים האלה בעת ביצוע מדידות ופרש תוצאות.

השפעות טמפרטורה

הסוג, הגודל, המתח והגיל של הסוללה, כמו גם שיטת הטעינה, הכוח והטמפרטורה הסובבת, כולם משפיעים על יעילות הסוללה.טמפרטורות יש השפעה עמוקה על שיעורי התגובה אלקטרו-כימיים, ההתנגדות הפנימית ותופעות הלוואי.טמפרטורות גבוהות מגבירות את ההזדקנות והאובדן הקיבולת, וטעינה מתחת להקפאת יכולות לגרום נזק קבוע.

בטמפרטורות נמוכות, התנגדות פנימית מוגברת מפחיתה את היעילות ככל שהאנרגיה יותר מתמוססת כחום. בטמפרטורות גבוהות, בעוד ההתנגדות הפנימית עשויה לרדת, תגובות שליליות וטעינה עצמית להפחית את היעילות הקובמית.

במדידות יעילות מדויקות, לשמור על טמפרטורה מתמדת לאורך הבדיקה או וריאציות טמפרטורה בקפידה של מסמכים רבים, פרוטוקולי בדיקה מציינים את הניתוח ב 25°C (7 ° C (7 ° ° F) כתנאי התייחסות סטנדרטי.

תשלום ותשלום

C-rate משפיע באופן משמעותי על יעילות.טעינה מהירה וטעינה כבדה גם מפחיתה את יעילות האנרגיה.בשיעורי מטען גבוה או פריקה, עלייה הזרם הנוכחי באמצעות התנגדות פנימית מייצרת חום רב יותר, צמצום היעילות.בנוסף, ⁇ ריכוז ומגבלות תחבורה המונית הופכים בולטים יותר בקצב גבוה, עוד ירידה בביצועים.

עם זאת, שיעור המטען והשחרור נמוך יותר, הגבוה יותר הוא היעילות.עם זאת, טעינה איטית מאוד יכולה גם להפחית יעילות קומולמבית עקב העלאת תשלום עצמי במהלך תקופת הטעינה המורחבת.מהנדסים חייבים לאזן אופטימיזציה יעילות עם מגבלות זמן מעשיות.

גורמים רבים יש השפעה משמעותית על היעילות, כגון צפיפות הנוכחית, הטמפרטורה, בחירת המזכר / המילור, ואת מוליכות אלקטרוליטית.

חיי סוללה ומחזור

גיל משחק גם תפקיד.כפי שסוללות גיל באמצעות הזדקנות חוזרת של אופניים ולוח שנה, עלייה בהתנגדות פנימית ורמות חומר פעיל.הזדקנות מגבירה את ההתנגדות הפנימית של סוללה ומפחיתה את יכולתה; לכן, מערכות אחסון אנרגיה (ESS) דורשות אלגוריתם ניהול סוללות (BMS) שיכול לנהל את מצב הסוללה.

מספר תהליכי השפלה, כולל מפלט תרמי, ליתיום דנדטקסים, וייצור גז, לגרום סוללות לאבד יעילות לאורך זמן, תהליכים אלה להפחית את הביצועים של הסוללה, הבטיחות והקיבולת. מדידות יעילות רגילות לאורך חיי סוללה לספק נתונים יקרי ערך לחיזוי חיים שימושיים ומערכת החלפת לוחות זמנים חלופיים.

מדינת תביעות תפעול טווח

קבלה נמוכה יותר כאשר מעל 70% המדינה של תשלום וטוע עצמי עולה כאשר הסוללה מתחממת לקראת סוף המטען תורמים גורמים לסוללות התפעול הנמוכות של CE בטווחים אופטימליים של SOC יכול לשפר באופן משמעותי את היעילות ולהאריך את חיי המחזור.

יישומים רבים נהנים מהגבלת טווח SOC, כגון תפעול בין 20% ל 80% ולא 0% עד 100%, בעוד זה מקטין את היכולת הקיימת, זה יכול לשפר באופן משמעותי את היעילות ואת תוחלת החיים.

התנגדות פנימית וOverpotentials

הפסדים שונים, כולל התנגדות הומית, הפעלת יתר על המידה וריכוז יתר על המידה, יפחיתו את יעילות המתח.הפסדים אלה באים לידי ביטוי כמו ההבדל בין טעינה לבין מתחים מרתיעים.הגדול יותר זה היסטריה, את יעילות האנרגיה הנמוכה יותר.

תגובה פרדוקסטית המתרחשת בתוך אלקטרוכימיה של התא מונעת את היעילות מלהגיע ל -100% תגובות צד אלה לצרוך אנרגיה ללא תרומה לאחסון מטען שימושי, צמצום מתמיד של יעילות.

ערכים טיפוסיים של צ'מיסטים סוללה שונים

כימאים שונים של סוללות מציגים טווחי יעילות אופייניים המבוססים על התכונות אלקטרו-כימיות שלהם ומנגנוני הפעלה.

Lithium-Ion Batteries

לי-יון יש אחד הדירוגים הגבוהים ביותר של CE בסוללות טעינה, והוא מציע יעילות העולה על 99 אחוזים. סוללות ליתיום-יון יש כמה מהדירוגים הגלומביאליים הגבוהים ביותר של כל סוללה שניתן לטעון, עלייה שגרתית ב-99.9%, ותאים טריים לעתים קרובות מתחילים בסביבות 99.9% ולשפר כמו שכבת SEI מייצבת, ומגיעה ל-99.5% או גבוה יותר בתוך 15 מחזורים הראשונים ל- 30 תאים, ו-99 תאים מותאמים היטב יכולים להגיע ל-99.9%.

יעילות האנרגיה לסוללות ליתיום-יון בדרך כלל נעה בין 85% ל-95%, בהתאם לשיעורי מטען/טעון ותנאי הפעלה.ההבדל בין יעילות קומולבית ויעילות אנרגיה משקף הפסדים של מתח במהלך המבצע.

ראשי תיבות של Lead-Acid Batteries

חומצה מובילה מגיעה נמוך יותר ב- CE של כ -90%, סוללות מבוסס ניקל הם בדרך כלל נמוך יותר. סוללות מובילות-חומצה בדרך כלל יש coulombic (אה) יעילות של כ 85% ואנרגיה (Wh) יעילות של כ -70% מעל רוב טווח SoC, כפי שנקבע על ידי פרטי העיצוב והמחזור שאליו הם חשופים.

סוללות מובילות הן נמוכות משמעותית, יושבות סביב 90%, וזה אומר בערך 10% מהטעינה להכניס סוללה מובילה כל מחזור אבוד לתגובות צדדיות, בעיקר פיזור מים שמייצר מימן וחמצן.

סוללות מבוססות ניקל

סוללות מבוססות ניקל (ניקל-cadmium, ניקל-מטאל hydride) נוטות ליפול אפילו נמוך יותר מאשר חומצה מובילה, חלקית כי הם מייצרים יותר חום במהלך הטעינה והם נוטים לתגובות טעינה עצמית כי לצרוך מטען. יעילות קוטולומיבית סוללות מבוסס ניקל בדרך כלל נע בין 70% ל 85%, עם יעילות אנרגיה לעתים קרובות מתחת 70%.

היעילות הנמוכה ביותר של סוללות מבוססות ניקל בהשוואה ליתיום-יון היא אחת הסיבות לאימוץ נרחב של טכנולוגיית ליתיום-יון ביישומים שבהם יעילות היא קריטית.

ניתוח השוואתי

אם הירידה במתח היא 100 mV במהלך הטעינה ו -100 mV במהלך ניכוי ואם ⁇ a של 100% הוא ההנחה, היעילות, למשל, עבור תא Ni-Cd עם 1.2 V nominal מתח הוא ⁇ Wh= ⁇ U=1.1 V / 1.3 V=84.6%, בהשוואה לסוללה ליתיום-יון עם 3.6 nominal, יעילות המתח הוא ⁇ =W=R=R=R=R=R=R=R=R=R=R=R=DV=D=D=DV=0.

בדיקות ציוד וטכניקה

מדידות יעילות מדויקות דורשות ציוד מתאים ותשומת לב זהירה לטכניקות מדידה.

סוללות ומערכות מבחן

מחזורי סוללות מקצועיים מספקים שליטה מדויקת של זרמי תשלום ושחרור בעת ובעונה אחת מדידת מתח, נוכחי וטמפרטורה.

• מקורות ושקעים בעלי דיוק טוב יותר מ-0.1%
• מדידה של וולט עם רזולוציה של מילימטר
• ניטור טמפרטורה ושליטה
• מערכות רכישת נתונים עם שיעורי הדגימה גבוהה
• בדיקה אוטומטית ריצוף ופיקוח בטיחות

מערכות בדיקות סוללות מודרניות מחשבות באופן אוטומטי מדדי יעילות ומייצרות דוחות מקיפים, אך מהנדסים צריכים להבין את החישובים הבסיסיים כדי לאמת תוצאות ופתרון בעיות.

שיקולים של וולטאז

הגישה הקלה והחסכונית ביותר היא למדוד את מתח הסוללה כאשר הוא נמצא במנוחה ובעיגול פתוח, אבל מתח לבד אינו מספיק כדי לקבוע יעילות סוללות בדיוק כי זה תלוי בסוג הסוללה, כמו גם את רמת המטען שלה.

השתמש בחיבורים ארבעה-חוטיים (Kelvin) כאשר ניתן לחסל טיפות מתח במנועי בדיקה.טכניקה זו משתמשת חוטים נפרדים עבור משלוח הנוכחי ומתח רגיש, הבטחת מדידות מתח מדויקות במסופי הסוללה.

מדדים וקובמולב

Coulomb Counting היא טכניקה מדויקת יותר הכוללת מעקב אחר זרמי המטען והשחרור של הסוללה לאורך זמן ושילוב הנתונים כדי לוודא את הקלט והתפוקה של אנרגיה. חיישנים נוכחיים או חיישנים של אפקט הול מספקים מדידות נוכחיות מדויקות בטווח התפעולי המלא.

ודא כי החיישנים הנוכחיים הם calibrated כראוי ויש להם מספיק פתרון עבור הטווח הנוכחי הצפוי.עבור סוללות עם פרופילים נוכחיים משתנים מאוד, שיעורי דגימה גבוהה (בדרך כלל 1 הרץ או מהיר יותר) נדרשים ללכוד התנהגות transient.

מדד ההתנגדות הפנימית

שיטה מתוחכמת יותר זו כוללת ייבוש הסוללה עם כמות קטנה של זרם או מתח ומדידה את השינוי במתח או בהווה, וטכניקה זו מחשבת את אובדן הכוח שניתן לעצירת ההתנגדות הפנימית של הסוללה כדי להעריך יעילות סוללות.מדידות ההתנגדות הפנימית מספקות מידע אבחון רב ערך ועזרה להסביר את הריאציות יעילות.

רכישת נתונים ופתרון זמן

שינויים בשני רמות הכוח המטען והשחרור המתרחשות בתוך שלב אחד יכול לטשטש את ה-BeSS הכולל באמצעות חישוב ויעילות אם השניים אינם רשומים באופן עצמאי (לעתים השניים בממוצע או מסוכמים במהלך מרווח הזמן), ולכן, מרווח זמן קצר נדרש היה רק דיווח אחד מטר אחד הן נתונים בתשלום והן פריקה.

עבור רוב היישומים, להקליט נתונים במרווחי שנייה מספק מספיק החלטה.עם זאת, יישומים עם תנודות מהירות כוח עשויים לדרוש שיעורי דגימה גבוהה יותר כדי ללכוד במדויק את זרימת האנרגיה.

שגיאות מדידה נפוצות וכיצד להימנע מהם

כמה טעויות נפוצות יכולות לפשר מדידות יעילות.הבנת המלכודות הללו מאפשרת למהנדסים ליישם אמצעי הגנה מתאימים.

In Complete Charge or Discharge Cycles

כשל לגבות או להוציא את הסוללה באופן מלא על פי הפרוטוקול שצוין מציג שגיאות שיטתיות.תמיד לעקוב אחר מגבלות המתח המפוקפקות של היצרן וקריטריונים סיום. לתעד כל סטייה מהליכים סטנדרטיים ולהעריך את ההשפעה הפוטנציאלית שלהם על התוצאות.

תקופות מנוחה בלתי צפויות

זמן מנוחה בלתי אפשרי בין תשלום ושחרור יכול להוביל לדידות לא מדויקות עקב תופעות לוואי ושוויון אלקטרוכימי לא שלם.עקוב אחר פרוטוקולי תקופת מנוחה מבוססים, בדרך כלל 30 דקות עד כמה שעות בהתאם לכימיה של סוללות וגודל.

טמפרטורה משתנה

שינויים בטמפרטורה לא מבוקרת במהלך בדיקות משפיעים באופן משמעותי על מדידות יעילות. השתמש בתאי טמפרטורה מבוקרים במידת האפשר, או לפחות, טמפרטורת מסמכים לאורך כל הבדיקה והערכה של השפעתה על תוצאות. להימנע מבדיקות בסביבות עם תנודות טמפרטורה גדולות או חשיפה ישירה לשמש.

ציוד מדידה Calibration

ציוד לא calibrated או לא תקין מציג שגיאות שיטתיות המצטברות על פני בדיקות ארוכות. לשמור על לוחות זמנים קבועים של כיבוד לכל ציוד מדידה וקביעת סטטוס calibration.בדוק דיוק ציוד באמצעות תקני התייחסות ידועים לפני המדידות קריטיות.

התעלמות מצריכת חשמל מועילה

עבור הערכת יעילות המערכת המלאה, חשבון עבור אנרגיה הנצרכים על ידי מערכות ניהול סוללות, מערכות קירור וציוד המרה כוח.מספר זה יכול לכלול יעילות מונעת ולכן יש לבדוק את יעילות המערכת היא תמיד נמוכה יותר מאשר יעילות ברמת התא בגלל עומסים אלה עזר.

יישומים מעשיים ומחקרי מקרים

הבנת כיצד ליישם חישובים יעילות בתרחישים בעולם האמיתי מסייעת למהנדסים לקבל החלטות עיצוב מושכלות וביצועי מערכת אופטימיזציה.

מערכת סוללות רכב חשמלי

זה קריטי במיוחד עם מערכות סוללות גדולות בכלי רכב חשמליים, מערכות אחסון אנרגיה (ESS) ולוויינים.בכלי רכב חשמליים, אפילו שיפורים קטנים ביעילות לתרגם להגדלת טווח הנהיגה והעלויות המופחתות. שיפור של 5% ביעילות הסבבית יכול להאריך את טווח של כמה קילומטרים למחזור המטען.

יצרני EV מבצעים אופטימיזציה בקפידה פרופילים, ניהול תרמי ואסטרטגיות תפעול כדי למקסם את היעילות על פני תנאי נהיגה מגוונים. Efficiency מדידות בטמפרטורות שונות ורמות כוח מודיעים על מאמצי אופטימיזציה אלה.

חברת Grid-Scale Energy

במכשירי אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול כגון סוללות בכלי רכב חשמליים (EVs) או מערכות אחסון אנרגיה ביתי, העלות של אנרגיה הנצרכים כדי לטעון את הסוללה היא גורם משמעותי ומתורגמת ישירות למחיר האנרגיה המסופקת על ידי מכשיר האחסון.עבור יישומי אחסון ברשת לאחסון מגהוואט שעות של אנרגיה, יעילות משפיעה ישירות על יכולת כלכלית.

מערכת אחסון אנרגיה סוללה עם 85% יעילות עגולה של טריפ מאבד 15% של אנרגיה מאוחסנים כמו חום.עבור מערכת רכיבה על 1MWh יום, זה מייצג 150 קילו-וואט של הפסדים ליום, או כ 55MWh מדי שנה. במחירים אופייניים של חשמל, הפסדים אלה מייצגים עלויות הפעלה משמעותיות שיש לקחת בחשבון לתוך הכלכלה של הפרויקט.

אלקטרוניקה

במכשירים ניידים, יעילות הסוללה משפיעה הן על זמן ריצה והן על זמן טעינה.יעילות גבוהה יותר פירושה יותר אנרגיה הנמשכת מהמחסה לקיר במהלך הטעינה זמינה עבור הפעלת המכשיר.זה חשוב במיוחד עבור יישומים מהירים שבהם יעילות נוטה לרדת בשיעורי טעינה גבוהים.

יצרני התקנים מאיצים את המהירות נגד יעילות כדי להתאים את חוויית המשתמש.הבנת ה-יעילות-Power Tradingoff מאפשרת החלטות מושכלות לגבי פרוטוקולים טעינה ואסטרטגיות ניהול תרמיות.

חידוש אינטגרציה אנרגיה

מערכות סוללות בשילוב עם השמש או אנרגיית הרוח חייבות לאחסן ביעילות אנרגיה מתחדשת לסירוגין לשימוש מאוחר יותר.יעילות ה-Fretrip העגול קובעת כמה אנרגיה מתחדשת מיוצרת בסופו של דבר זמינה לצריכה. במערכות מחוץ לריד, יש לפצות על הפסדים יעילות על ידי הגדלת יכולת הדור, עלייה בעלויות המערכת.

נושאים מתקדמים בסוללת Efficiency

מעבר לבדיקות יעילות בסיסיות, מספר נושאים מתקדמים מספקים תובנות עמוקות יותר לגבי ביצועי סוללות והזדמנויות אופטימיזציה.

יעילות והורדת סוללות

יעילות קואולומיבית (CE) שימשה באופן נרחב במחקר סוללות כאינדיקטור שניתן לכיפה של סוללות, ובעוד ש- CE מסייעת לחזות את תוחלת החיים של סוללה ליתיום, החיזוי אינו בהכרח מדויק בסוללה מתכת ליתיום משוחדת.היחסים בין יעילות והשפלה הם מורכבים וכימיה תלויה.

מדד זה חשוב כי הוא מצטבר, והפסד של 1% לכל מחזור נשמע טריוויאלי, אבל מעל מאות מחזורים אלה תרכובת הפסדים קטנים.אפילו יעילות קומביבית גבוהה של 99% תוצאות בהפסד משמעותי על מחזורים רבים.לאחר 100 מחזורים ב-99% לסה"נ, רק כ 37% מהיכולת המקורית נותרה זמינה.

יעילות במערכות ניהול סוללות

מאמר זה מציע נוסחה חישוב יעילות סוללות לנהל את מצב הסוללה, ואת הנוסחה המוצעת יעילות סוללות להשתמש זמן הטעינה, טעינה הנוכחית, וקיבולת הסוללה. מערכות ניהול סוללות מודרנית להשתמש מדדים יעילות כדי לייעל אסטרטגיות טעינה, לחזות יכולת שנותרה, לאבחן תקלות.

מערכות ניהול סוללות מתקדמות (BMS) יכולות גם להתאים את תהליכי הטעינה והפחתת הפחתת אובדן האנרגיה. ניטור יעילות בזמן אמת מאפשר אסטרטגיות בקרה הסתגלותיות הממקסימות את הביצועים תוך הגנה על בריאות הסוללה.

אופטימיזציה של עיצוב ובחירת חומרים

יעילות הוולפלקס יכולה להיות ממקסימה על ידי צמצום ההתנגדות של כל רכיבי התא ושימוש בחומרים אלקטרודה עם מוליכות חשמלית גבוהה, אלקטרואקטיביות טובה ואזור פני השטח גבוה.יעילות הסוללה יכולה להיות משופרת על ידי אופטימיזציה של העיצוב הפנימי של הסוללה, כגון שימוש בחומרים המציעים התנגדות נמוכה יותר ושיפור הרכב אלקטרוליטי.

למרות שבעבר יעילות האנרגיה הייתה כמעט קרובה לאחדות עבור כל חומרי אלקטרודה של LIBs, גורם זה חשוב מאוד עבור חומרים חדשים של דיוק גבוה (למשל, על בסיס מנגנון המרה) שכן צפיפות האנרגיה יכולה להיות מתחת לדרישות לפיתוח המעשי, ולמעשה, צפיפות אנרגיה נמוכה היא בשל מגבלות גבוהות והוא חלק חיוני של המחקר הבסיסי עבור עיצוב החומרי כי לא ניתן לשפר את זה במהלך הדחיסות המסחרית.

יעילות ב-Competsual Modes

יעילות הסוללה משתנה באופן משמעותי בהתאם למצב התפעולי.השימוש בבקשות לסילוק הדופק מציג תכונות יעילות שונות מאשר פריקה מתמשכת.מצב של טעינה המדינה חלקית מראה יעילות שונה מאשר רכיבה על עומק מלא של טעינה.

תקנים ופרקטיקה טובה ביותר

לאחר סטנדרטים מבוססים ושיטות הטובות ביותר להבטיח עקביות, התחדשות, והשוואה של מדידות יעילות על פני מעבדות וארגונים שונים.

תקני תעשייה

כמה ארגונים מפרסמים סטנדרטים עבור בדיקות סוללות ואמצעי יעילות מדידה:

• IEC 61960 ו- IEC 62133 סוללות ליתיום
• IEEE 1679 for Battery Characterization
• SAE J2464 לבדיקות סוללות רכב חשמליות
• ISO 12405 עבור בדיקות ביצועים

סטנדרטים אלה מציינים נהלי בדיקה, תנאים סביבתיים, דרישות מדידה ופורמטים של הדיווח.התעד לסטנדרטים רלוונטיים מאפשר השוואה של תוצאות ומבטיח עמידה רגולטורית.

מסמכים ודיווח

תיעוד מקיף הוא חיוני לחידוש ופרשנות נתונים. דוחות בדיקת יעילות צריכים לכלול:

• מפרט סוללות שלם וזיהוי
• פרטים על ציוד מבחן ומעמד calibration
• תנאי סביבה לאורך כל הבדיקות
• נהלי בדיקה מפורטים וכל סטייה מסטנדרטים
• נתוני Raw כולל מתח, נוכחי וטמפרטורה פרופילים
• מדדי יעילות מחושבים עם ניתוח אי ודאות
• ייצוגים גרפיים של עקומות מטען / חיוב

איכות מובטחת

יישום תהליכי אבטחת איכות כדי להבטיח דיוק מדידה ואמינות:

• ציוד קבוע calibration ואימות
• שימוש בסוללות התייחסות עם ביצועים ידועים
• השוואות בין-מעבדות
• ניתוח סטטיסטי של מדידות חוזרות
• תיעוד של אי-וודאויות מדידה

שיפור יעילות האנרגיה של Battery

בעוד יעילות נקבעת בעיקר על ידי כימיה ועיצוב סוללות, כמה אסטרטגיות תפעוליות יכולות להתאים את הביצועים בתוך המגבלות של מערכת סוללות נתונה.

אופטימיזציה לפרוטוקולים

אסטרטגיית טעינה משפיעה באופן משמעותי על יעילות.פרוטוקולים טעינה רב-שלביים המפחיתים את הזרם כאשר הסוללה מתקרבת למינימום הפסד תוך הבטחת טעינה מלאה. קבוע-הווה/constant-voltage (CC/CV) טעינה משמשת באופן נרחב סוללות ליתיום-יון ומספקת יעילות טובה תוך הגנה על בריאות הסוללה.

להימנע מעומס יתר, אשר מבזבז אנרגיה ומזרז את ההשפלה.השלמה נאותה של סיום המטען בהתבסס על מגבלות הברז או הזמן הנוכחיות כפי שצוין על ידי יצרן הסוללה.

ניהול ארס

שמירה על טמפרטורת ההפעלה אופטימלית משפרת את היעילות ומרחיבת את חיי הסוללה.מערכות קירור או חימום פעיל לשמור סוללות בטווח הטמפרטורה האידיאלי שלהם, בדרך כלל 20-25 מעלות צלזיוס עבור הכי כימאים ליתיום-יון. בעוד מערכות ניהול תרמיות לצרוך אנרגיה, את היתרונות היעילות והרווחים של תוחלת לעתים קרובות להצדיק ההשקעה הזו במערכות סוללות גדולות.

ניהול תרמי עוברי באמצעות עיצוב המתחם המתאים, בידוד תרמי, ושקע חום יכול גם לשפר את היעילות ללא צריכת חשמל עזר.

הפעלה בתוך טווח SOC

הגבלת טווח התפעולי של המדינה בתשלום משפרת את היעילות ואת חיי המחזור. יישומים רבים נהנים מפעילות בין 20% ל-80% SOC ולא באמצעות טווח הקיבולת המלא.אסטרטגיה זו מפחיתה את הלחץ על חומרים אלקטרודה ומפחיתה תגובות צדדיות המפחיתות את היעילות.

מיני עומסים פרדוקסטיים

צמצום צריכת האנרגיה על ידי מערכות ניהול סוללות, מעגלים ניטור ומערכות עזר אחרות. השתמש רכיבים בעלי כוח נמוך וליישם מצבי שינה כאשר ניטור מלא אינו נדרש. במערכות גדולות, אפילו עומסים טפיליים קטנים מצטברים להפסדים משמעותיים באנרגיה לאורך זמן.

מגמות עתידיות בסוללות

מאמצי מחקר ופיתוח ממשיכים לדחוף את גבולות יעילות הסוללה באמצעות חומרים חדשים, עיצובים וטכנולוגיות.

סולידריות המדינה Batteries

סוללות מוצקות יותר, אשר מחליפות את אלקטרוליט הנוזלי עם חומר מוצק, הן משיגות יעילות קומולומיבית סביב 99% בבדיקות מעבדה. טכנולוגיה של Solid-state מבטיחה שיפור היעילות באמצעות התנגדות פנימית מופחתת וחיסול של תגובות צד מסוימות המגפות מערכות אלקטרוליטות נוזליות.

ניהול סוללות מתקדם

למידת מכונה ואינטליגנציה מלאכותית מאפשרים אסטרטגיות ניהול סוללות מתוחכמות יותר שמתאימות למאפיינים של סוללות בודדות ולתנאי תפעול.אלגוריתמים חיזוי אופטימיזציה פרופילים טעינה בזמן אמת כדי למקסם את היעילות תוך שמירה על בריאות הסוללה.

חומרים אלקטרוניים

מחקר לחומרים אלקטרודה חדשים מתמקד בצמצום ההתעלות ושיפור הכדאיות האלקטרוכימית.הרודות הסיליקון, שרידים ליתיום-מטאלים, וחומרים קטוודה בעלי מתח גבוה מציעים שיפורים אפשריים, אם כי אתגרים נשארים בהשגת מחזור ארוך עם חומרים מתקדמים אלה.

שיפור אלקטרוליטים

ניסוחים אלקטרוליטיים מתקדמים להפחית את ההתנגדות הפנימית ודכאו תגובות צד, שיפור יעילות קואלומבית ואנרגיה. Ionic Liquid אלקטרוליטים, אלקטרוליטים פולימרים מוצק, וחבילות תוספת חדשות להראות הבטחה לשיפור יעילות.

מסקנה

יעילות אנרגיה סוללה היא מדד ביצועים קריטי המשפיע ישירות על הכדאיות הכלכלית, קיימות סביבתית, ושימוש מעשי של מערכות אחסון אנרגיה. חישוב מדויק של יעילות דורש נהלים מדידה שיטתית, ציוד מתאים, ותשומת לב זהירה לגורמים המשפיעים על תוצאות כולל טמפרטורה, תשלום / תעריפים טעינה, וגיל הסוללה.

מהנדסים חייבים להבין את ההבדלים בין מדדי יעילות שונים – יעילות אנרגיה, יעילות קואלומית ויעילות תנודתית – ולבחור מדידות מתאימות ליישומים הספציפיים שלהם. בעוד חישוב בסיסי של יעילות אנרגיה, היחס של תפוקה לאנרגיה קלט הוא פשוט, השגת תוצאות מדויקות ויעילות דורשות מתודולוגיה קפדנית ואבטחת איכות.

בעוד שטכנולוגיית סוללות ממשיכה להתפתח, מדידות יעילות יישארו חיוניות להערכת חומרים חדשים, עיצובי מערכת אופטימיזציה, ולהבטיח כי מערכות אחסון אנרגיה לעמוד בדרישות התובעניות של יישומים מודרניים.על ידי ביצוע הליכים שלב אחר צעד ושיטות הטובות ביותר המפורטות במדריך זה, מהנדסים יכולים להעריך באופן בטוח ביצועי סוללה ולקבל החלטות מושכלות כי קידום טכנולוגיית אחסון אנרגיה.

(ב) לקבלת מידע נוסף על תקני בדיקות סוללות, בקר ב-FLT:0 נציבות אלקטרו-טכנית הבינלאומית אלקטרו-טקנית (Digital Electrotechnical CommissionFignical CommissionFlementi 1) או לחקור משאבים מה-FLT:2U.S המחלקה לאנרגיה LT 3 (FLT:4Battery UniversityFLT: 5) מספקת חומרים חינוכיים מקיףים על מערכות פיתוח סוללות ובדיקות סוללות.