1. Η επίδραση της χαμηλής θερμοκρασίας της μπαταρίας στην ικανότητα αποφόρτισης της μπαταρίας
Η χωρητικότητα είναι μία από τις πιο σημαντικές παραμέτρους των μπαταριών λιθίου και το μέγεθός της αλλάζει με τη θερμοκρασία. Οι δύο καμπύλες στο παρακάτω σχήμα είναι καμπύλες θερμοκρασίας-χωρητικότητας που λαμβάνονται με την εκφόρτιση της μπαταρίας στους 0,1C και 0,3C σε διαφορετικές θερμοκρασίες.
Προφανώς, καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η χωρητικότητα αυξάνεται σταδιακά. Η χωρητικότητα στους -20℃ είναι μόνο περίπου 60% της χωρητικότητας στους 15℃. Εκτός από τη χωρητικότητα, η τάση ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας θα μειωθεί επίσης με την αύξηση της θερμοκρασίας. Όλοι γνωρίζουμε ότι η ενέργεια που περιέχεται στην μπαταρία είναι το γινόμενο της χωρητικότητας και της τάσης των ακροδεκτών. Όταν και τα δύο πολλαπλάσια μειώνονται, η ενέργεια στην μπαταρία πρέπει να είναι η υπέρθεση των δύο μειούμενων φαινομένων.
Όταν η θερμοκρασία της μπαταρίας είναι χαμηλή, η δραστηριότητα του υλικού του θετικού ηλεκτροδίου μειώνεται, γεγονός που μειώνει τον αριθμό των ιόντων λιθίου που μπορούν να κινηθούν και να φέρουν ρεύμα εκφόρτισης, γεγονός που αποτελεί τον βασικό λόγο για τη μείωση της χωρητικότητας.
2. Η επίδραση της χαμηλής θερμοκρασίας της μπαταρίας στην εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας
Η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και της αντίστασης της μπαταρίας λιθίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Διαφορετικές καμπύλες αντιπροσωπεύουν διαφορετικά επίπεδα φόρτισης της ίδιας της μπαταρίας. Σε οποιαδήποτε κατάσταση φόρτισης, η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας θα αυξηθεί σημαντικά καθώς μειώνεται η θερμοκρασία. Όσο χαμηλότερη είναι η φόρτιση, τόσο μεγαλύτερη είναι η εσωτερική αντίσταση και αυτή η τάση παραμένει αμετάβλητη με τις αλλαγές θερμοκρασίας.
Όταν η θερμοκρασία της μπαταρίας είναι χαμηλή, η διάχυση και η κινητικότητα των φορτισμένων ιόντων στα υλικά των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων επιδεινώνεται και είναι δύσκολο να περάσει μέσα από την μεμβράνη παθητικοποίησης μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη. Η ταχύτητα μεταφοράς στον ηλεκτρολύτη μειώνεται επίσης και παράγεται μεγάλη ποσότητα θερμότητας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεταφοράς.
Αφού τα ιόντα λιθίου φτάσουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, η διάχυση στο εσωτερικό του υλικού του αρνητικού ηλεκτροδίου γίνεται επίσης ανομοιόμορφη. Καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας, η κίνηση των φορτισμένων ιόντων γίνεται πολύ δύσκολη. Από έξω, αυτό σημαίνει ότι η εσωτερική αντίσταση του στοιχείου της μπαταρίας έχει αυξηθεί.
3. Η επίδραση της χαμηλής θερμοκρασίας της μπαταρίας στην απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας
Η ακόλουθη καμπύλη είναι η καμπύλη της απόδοσης φόρτισης που αλλάζει με τη θερμοκρασία. Μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η απόδοση φόρτισης στους -20℃ είναι μόνο 65% από αυτήν στους 15℃.
Η χαμηλή θερμοκρασία της μπαταρίας επιφέρει αλλαγές στις προαναφερθείσες ηλεκτροχημικές ιδιότητες και η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται σημαντικά. Κατά τη διαδικασία εκφόρτισης, καταναλώνεται μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στην εσωτερική αντίσταση και παράγεται θερμότητα.
Τεχνολογία προθέρμανσης χαμηλής θερμοκρασίας μπαταρίας λιθίου
Αντιμέτωποι με τους περιορισμούς στη χρήση μπαταριών λιθίου όταν η θερμοκρασία της μπαταρίας είναι χαμηλή, οι τεχνικοί βρήκαν ένα αντίμετρο για τη φόρτιση και την προθέρμανση. Αν και πρόκειται για ένα προσωρινό μέτρο, έχει σημαντική επίδραση στη βελτίωση της ικανότητας εκφόρτισης και της μακροπρόθεσμης διάρκειας ζωής των μπαταριών λιθίου.
Πριν από τη φόρτιση ή τη χρήση μπαταριών λιθίου σε περιβάλλον με χαμηλή θερμοκρασία, η μπαταρία πρέπει να προθερμανθεί. Ο τρόπος με τον οποίο το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS) θερμαίνει την μπαταρία μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: εξωτερική θέρμανση και εσωτερική θέρμανση.
Σε σύγκριση με τις εξωτερικές μεθόδους θέρμανσης, η εσωτερική θέρμανση αποφεύγει την αγωγιμότητα θερμότητας σε μεγάλες διαδρομές και τον σχηματισμό τοπικών θερμών σημείων κοντά στη συσκευή θέρμανσης. Ως αποτέλεσμα, η εσωτερική θέρμανση μπορεί να θερμάνει την μπαταρία πιο ομοιόμορφα, με αποτέλεσμα καλύτερη θέρμανση με υψηλότερη απόδοση και είναι ευκολότερη στην εφαρμογή.
