Чтобы понять стабильность работы батареи, необходимо сначала разобраться в понятиях SOC и OCV.
СОК
Показатель SOC (State of Charge) обозначает оставшуюся емкость батареи, подобно указателю уровня топлива в автомобиле, выраженную в процентах (0%-100%). По сути, это отношение текущей разрядной емкости батареи к ее номинальной емкости.
С точки зрения принципа работы, процесс зарядки и разрядки батареи по сути представляет собой “путь миграции” ионов лития: во время зарядки ионы лития извлекаются из положительного электрода, проходят через электролит и сепаратор и внедряются в углеродный материал отрицательного электрода; в это время уровень заряда (SOC) непрерывно повышается до достижения 100% (теоретически, все ионы лития переместились на отрицательный электрод). Во время разрядки ионы лития мигрируют из отрицательного электрода обратно на положительный электрод, вызывая снижение уровня заряда (SOC) до достижения 0% (теоретически, ионы лития на отрицательном электроде полностью истощены).
OCV
Напряжение холостого хода (OCV) — это напряжение на клеммах батареи, когда ток возвращается к нулю после прекращения зарядки и разрядки. Проще говоря, это “напряжение батареи после отдыха” — важный показатель для измерения состояния заряда батареи (SOC), поскольку существует устойчивая корреляция между напряжением и оставшейся емкостью.
Однако корреляция между напряжением разомкнутой цепи (OCV) и уровнем заряда (SOC) значительно различается для разных типов батарей, что является ключевым фактором, вызывающим проблемы с согласованностью:
Диапазон напряжения холостого хода (OCV) литий-железо-фосфатных (LFP) батарей составляет от 1,95 В до 3,37 В, а их кривая OCV-SOC демонстрирует четкую “платообразную характеристику” — когда уровень заряда находится в основном рабочем диапазоне 20%-80%, изменение напряжения минимально, всего около 0,1 В. Это означает, что оценка остаточной емкости на основе напряжения может легко привести к неточным измерениям. Например, если уровень заряда увеличивается с 30% до 60%, напряжение может практически не измениться, и система не сможет точно определить фактическую остаточную емкость.
В отличие от этого, кривая OCV-SOC для тройных литиевых батарей демонстрирует хорошую линейную зависимость, при этом напряжение изменяется равномерно и значительно в зависимости от остаточной емкости. Например, при увеличении SOC с 20% до 80% напряжение неуклонно возрастает примерно с 3,6 В до примерно 3,9 В. Система может точно определять SOC по сигналу напряжения, и проблемы с согласованностью относительно легко контролировать.
Что именно означает стабильность емкости батареи? Речь идет не просто о “стабильной емкости батареи”.”
Согласно отраслевым определениям, стабильность характеристик батареи относится к степени согласованности между элементами в батарейном блоке по ключевым параметрам производительности, таким как напряжение, емкость, внутреннее сопротивление, температура и срок службы. Различия в этих параметрах могут вызывать “эффект бабочки”, в конечном итоге влияя на общую производительность батарейного блока.
Пять основных параметров стабильности работы батареи
(1) Стабильность напряжения
Это относится к разности напряжений между элементами при одинаковом уровне заряда (SOC). Низкая стабильность напряжения проявляется следующим образом: например, некоторые элементы могут показывать SOC 50%, а другие — всего 3,2 В, в то время как третьи — только 3,0 В. Это приводит к тому, что элементы с более высоким напряжением первыми полностью заряжаются во время зарядки, что вызывает преждевременное прекращение зарядки; а элементы с более низким напряжением первыми разряжаются во время разрядки, что приводит к преждевременному прекращению разрядки и потере ресурса батареи.
(2) Постоянство мощности
Это относится к разнице в номинальной емкости между элементами. Даже элементы из одной партии могут иметь разную емкость из-за различий в производственных процессах и материалах, в результате чего одни элементы могут вмещать 100 Ач, а другие — только 95 Ач. Неравномерная емкость приводит к следующим последствиям: элементы меньшей емкости полностью заряжаются первыми во время зарядки, в то время как элементы большей емкости заряжаются не полностью; элементы меньшей емкости разряжаются первыми во время разрядки, оставляя неиспользованную емкость в элементах большей емкости, что снижает общую емкость аккумуляторного блока.
(3) Постоянство внутреннего сопротивления
Внутреннее сопротивление — это сопротивление протеканию тока внутри батареи. Чем выше внутреннее сопротивление, тем больше энергии потребляется во время зарядки и разрядки. Со временем элементы с высоким внутренним сопротивлением будут терять больше энергии, что приведет к уменьшению остаточного заряда и непрерывному ухудшению стабильности работы.
(4) Постоянство температуры
В процессе работы аккумуляторной батареи нагрев каждой ячейки должен быть равномерным. Если некоторые ячейки плохо рассеивают тепло и имеют чрезмерно высокие температуры, это ускорит старение внутренних химических веществ, что приведет к снижению емкости, увеличению внутреннего сопротивления и, в конечном итоге, к ухудшению стабильности характеристик. В крайних случаях разница температур может даже вызвать тепловой разгон, создавая угрозу безопасности.
(5) Стабильность срока службы цикла
Срок службы батареи — это количество полных циклов, которые батарея совершает от полного заряда до разряда до напряжения отсечки, а затем до полного заряда. Если некоторые элементы в батарейном блоке преждевременно “стареют” из-за низкой стабильности характеристик, это значительно сократит срок службы всего батарейного блока — это типичный пример эффекта “слабого звена”.
Нестабильность работы батареи имеет гораздо более серьезные последствия, чем просто неточное указание времени автономной работы; она может значительно ухудшить пользовательский опыт по трем параметрам: время работы батареи, срок службы и безопасность, и даже привести к серьезным проблемам.
