Стадия зарядки постоянным напряжением литий-ионных аккумуляторов

Я читал на сайте batteryuniversity.com, что стадия зарядки литий-ионных аккумуляторов с постоянным напряжением (насыщением) добавляет примерно 10% SOC по сравнению с зарядкой только с фазой зарядки постоянным током (CC). Например, при зарядке только CC до 4,1 вольта вы получаете примерно 80% SOC, но при полной адсорбции можно достичь примерно 90% состояния заряда. Ссылка: https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

Введите описание изображения здесь

Мне пока не удалось найти хорошее визуальное представление о стадии насыщения зарядки и о том, чем она отличается от стадии зарядки постоянным током. Что является хорошим визуальным представлением этого?

Очевидно, что на этапе зарядки постоянным напряжением (CV) в батарею поступает некоторый ток , а это означает, что электроны должны течь. Не будет ли это означать, что количество свободных электронов, захваченных в графитовом слое, увеличится, и, следовательно, напряжение должно (немного) увеличиться? Или мое предположение, что на этапе зарядки CV электроны движутся так же, как и на этапе зарядки постоянным током, хотя и с гораздо меньшей скоростью, неверно?

Если мое предположение неверно и количество электронов, попавших в графитовый слой, не увеличивается во время зарядки CV, то что происходит внутри батареи, что вызывает увеличение SOC во время этой фазы зарядки?

Еще вопрос (относительно C-скоростей и времени насыщения):На той же странице на batteryuniversity.com упоминается, что более быстрая зарядка (более высокая скорость зарядки) литий-ионных элементов приводит к достижению относительно высокого SOC (например, 85% SOC) быстрее, чем при зарядке с более низкой скоростью зарядки, но упоминается, что , при зарядке с этим более высоким C-скоростью стадия насыщения зарядки будет длиться дольше. В чем причина этого? Происходит ли какое-то «насыщение» уже на этапе заряда CC? И поскольку при зарядке с более высоким C-скоростью меньше времени тратится на эту стадию заряда CC для полного заряда, поэтому будет ли меньше времени для «насыщения»? Имеет ли эта (моя) теория какой-либо смысл? Какова приблизительная разница во «времени насыщения» при зарядке с разной скоростью заряда (например, при зарядке при 0,5с, 1с и 2с)?

Несмотря на то, что насыщение занимает больше времени при более высоких скоростях C, я ожидаю, что общее время зарядки будет меньше, поскольку средняя мощность, поступающая в батарею, выше (с учетом дополнительных потерь из-за неэффективности зарядки, которые выше при более высоких скоростях C), если только стадия насыщения значительно медленнее для более высоких скоростей заряда, верно ли это предположение (более высокая скорость заряда всегда соответствует более быстрому общему времени зарядки)?

Последний вопрос (относительно изображения с batteryuniversity.com):

Текст под изображением в верхней части моего сообщения гласит: «Добавление полного насыщения при заданном напряжении увеличивает емкость примерно на 10 процентов, но добавляет нагрузку из-за высокого напряжения » .

Не понимаю, зачем это добавит напряжения, если по графикам заряда напряжение в цикле заряда CV совпадает с напряжением отсечки зарядного устройства. Если, например, зарядка до 4,1 В (напряжение, которое находится в пределах спецификаций для большинства литий-ионных элементов) и зарядка элемента до полного насыщения, будет ли эта длительная зарядка при 4,1 В (до полного насыщения элемента) вредной для аккумулятора? клетка?

Второй пример: допустим, мы заряжаем до 4,2 вольта, будет ли эта длительная зарядка 4,2 вольта (до полного насыщения) более вредной для элемента, чем зарядка CC до этого уровня (4,2 вольта)? Если максимальное напряжение для зарядки CC и CV одинаково, почему зарядка CV будет более вредной для клетки? Потому что среднее зарядное напряжение выше? Я что-то пропустил?

Что бы это ни стоило, в этой статье говорится, что она была недавно обновлена, но большая часть текста говорит об батареях начала 2000-х годов, поэтому не принимайте все, что вы там читаете, как применимое к современным аккумуляторным элементам (хотя общая идея не будет иметь значения). сильно изменился). Например, зарядные токи могут быть намного выше в современных элементах.

Ответы (1)

Мне пока не удалось найти хорошее визуальное представление о стадии насыщения зарядки и о том, чем она отличается от стадии зарядки постоянным током. Кто-нибудь знает/знает о хорошем визуальном представлении этого?

Стадия «насыщения» ничем не отличается в том, что касается элемента, это просто результат того, что зарядному устройству приходится ограничивать напряжение на клеммах в целях безопасности (в противном случае батарея продолжала бы заряжаться до более высокого напряжения и емкости — пока не взорвется). ).

В первом приближении аккумуляторную батарею можно представить как большой конденсатор (который накапливает заряд) последовательно с малым сопротивлением (сочетание омических сопротивлений и ограниченной подвижности ионов в растворе).

Теперь рассмотрим схему, в которой эта комбинация заряжается постоянным током до достижения предела напряжения, после чего ток изменяется на обычный экспоненциальный спад заряда конденсатора от фиксированного напряжения через резистор:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

I1 представляет собой постоянный ток зарядного устройства, а D1 — постоянное напряжение. Battэто внешняя клемма аккумулятора и intвнутренняя часть аккумулятора, которая удерживает заряд.

Предполагая, что начальное напряжение «батареи» (конденсатора) было 2,9 В, результат выглядит следующим образом:

введите описание изображения здесь

не будет ли это означать, что количество свободных электронов, захваченных в графитовом слое, увеличится, и, следовательно, напряжение должно (немного) увеличиться?

Напряжение на клеммах батареи должно оставаться постоянным, потому что зарядное устройство удерживает его на этом уровне, но ее внутреннее напряжение (которое отстает из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении) продолжает увеличиваться, пока в конечном итоге не достигнет напряжения на клеммах. Это видно по синей линии на графике.

В этом моделировании внутреннее напряжение батареи (Vint) достигло 4,0 В только тогда, когда зарядное устройство переключилось в режим постоянного напряжения при 4,2 В. К тому времени, когда зарядный ток упал до 10%, он вырос до 4,18 В, и по мере продолжения зарядки он в конечном итоге достиг 4,20 В.

Настоящая литий-ионная батарея, конечно, намного сложнее, чем просто конденсатор и резистор, что отражается на ее нелинейных кривых заряда и разряда. В остальном, хотя принцип тот же. На самом деле любое сопротивление в цепи зарядки за пределами точки измерения напряжения зарядного устройства вызовет аналогичный эффект, включая сопротивление в проводах и разъемах. Если внешнее сопротивление между зарядным устройством и аккумулятором является значительным, вы можете увидеть небольшое повышение напряжения на клеммах аккумулятора в режиме CV.

Текст под изображением в верхней части моего сообщения гласит: «Добавление полного насыщения при заданном напряжении увеличивает емкость примерно на 10 процентов, но добавляет нагрузку из-за высокого напряжения». Я не понимаю, почему это добавит дополнительную нагрузку, когда согласно На графиках заряда напряжение во время цикла заряда CV совпадает с напряжением отсечки зарядного устройства.

Как видно из этой простой симуляции, при зарядке до «насыщения» аккумулятор подвергается большему напряжению. Если зарядка будет остановлена ​​раньше, напряжение покоя батареи будет ниже, вызывая меньшую нагрузку как во время зарядки, так и после нее.

Реальна ли емкость в 1 фарад (вопрос не риторический)?
Легко видеть, что 1 Фарад (= 1 Кулон/Вольт) будет равен 1/3600 Ач для батареи с диапазоном 1 В между разряженным и заряженным. Для батареи 1 Ач попробуйте 3600F (но симуляция будет медленнее, лол!)