Производительность, требуемая от батареи для конкретного приложения, должна определяться, и относительная важность различных факторов должна быть приоритетной перед выбором используемой ячейки, поскольку они взаимодействуют друг с другом. Например, операционные факторы, такие как температура и скорость заряда / разряда, влияют на другие факторы, такие как мощность, напряжение и срок службы. Как правило, тестирование необходимо для подтверждения эффективности батареи при определенных условиях применения. Здесь обсуждаются общие взаимодействия этих факторов; Информацию о производительности конкретных ячеек в определенных условиях можно запросить у производителей.
Вместимость
Высокая производительность при высокой температуре хранения, высоком уровне заряда во время хранения, более высоких скоростях разряда, низкой температуре во время зарядки, времени ожидания между зарядом и разрядом и работе при температурах ниже или выше, чем оптимальная температура ячейки.
Напряжение
Когда ячейка разряжается, ее напряжение при нагрузке ниже, чем теоретическое напряжение, которое основано на его химическом составе, и напряжение разомкнутого контура, где на ячейке нет нагрузки. Напряжение ячейки уменьшается во время разряда, а на форму кривой напряжения разряда влияют температура, скорость разряда, срок службы, срок службы и электрохимические реакции, происходящие внутри ячейки. Напряжение обычно ниже и уменьшается быстрее при увеличении скорости разряда и увеличении срока службы. Напряжение разомкнутой цепи зависит от состояния заряда ячейки.
Ток разряда
Снижение мощности, напряжения и срока службы, а также увеличение потерь в ИК и нагревании наблюдаются с более высокими скоростями тока разряда, а также более быстрое снижение напряжения во время разряда. Ячейка, которая была разряжена с более высокой скоростью тока до определенного напряжения отсечки, по-прежнему имеет дополнительную емкость, превышающую это напряжение отсечки, если разряд продолжается при меньшей скорости тока. В то время как теоретическое напряжение и мощность можно приблизить с чрезвычайно низкими скоростями тока, очень длительные периоды разряда могут привести к химическому износу, что уменьшит емкость. Частоты разряда обычно указываются как кратные скорости С, которая является током, который разряжает аккумулятор до напряжения отсечки за один час.
Частота заряда
Меньшая мощность восстанавливается, и при более высоких нормах тока заряда увеличивается нагрев. Величины уменьшения мощности и увеличения нагрева зависят от температуры. Когда ячейка заряжается с более высокой скоростью тока до напряжения на конце заряда, к зарядному напряжению может добавляться больше мощности, если заряд продолжается с меньшей скоростью. Частоты зарядки также обычно указаны как кратные скорости С.
Непрерывный или прерывистый разряд
Когда после разряда батареи можно отдохнуть, происходят определенные химические и физические изменения, которые могут привести к восстановлению напряжения. Таким образом, напряжение батареи, которая упала во время высокоскоростного разряда, будет расти после периода отдыха. Это улучшение из-за периода покоя обычно больше после разряда при более высоких токах, а также зависит от напряжения на выходе, температуры и длины периода покоя.
Постоянный ток, постоянная нагрузка или постоянный сброс мощности
Батарея может разряжаться с постоянным током, постоянным сопротивлением или постоянными силовыми нагрузками или переменными нагрузками в зависимости от требований приложения. Ток разряда изменяется для каждого типа разряда. Время, в течение которого батарея будет обеспечивать требуемую мощность, обратно пропорционально среднему току. В режиме разрядки с постоянным сопротивлением разрядный ток уменьшается, когда напряжение батареи падает, а мощность уменьшается как квадрат напряжения батареи. В этом режиме разряда, чтобы гарантировать, что требуемая мощность доступна при концевом напряжении, ток и мощность в течение более ранней части разряда начинаются выше требуемого минимума. Батарея разряжается при высоком токе, быстро и чрезмерно разряжая ампер-час, что приведет к сокращению времени разряда. В режиме постоянного тока ток устанавливается таким образом, чтобы выходная мощность на концевом разрядном напряжении была равна минимальному требуемому уровню. Таким образом, ток и мощность во всем разряде ниже, чем для режима постоянного сопротивления. Средний ток утечки на батарее ниже, а время разряда больше. В режиме постоянной мощности ток является самым низким в начале разряда и увеличивается по мере того, как напряжение батареи падает, чтобы поддерживать постоянную мощность на уровне, требуемом оборудованием. Средний ток является самым низким в этом режиме разряда, и, следовательно, получается самое длинное время разряда.
Температура
Температура, при которой батарея заряжается и разряжается, оказывает заметное влияние на ее характеристики мощности и напряжения. Это связано с уменьшением химической активности и увеличением внутреннего сопротивления батареи при более низких температурах. Снижение температуры разряда приведет к уменьшению емкости, а также к увеличению наклона кривой разряда. Оптимальная температура зависит от конкретного химического состава батареи и конструкции и может быть адаптирована несколько. Для большинства литий-ионных аккумуляторов оптимальная температура составляет от 20 до 40 ° C, хотя электролиты были разработаны JPL для своих поездок на ровере, что обеспечивает хорошую производительность при более низких температурах. При более высоких температурах химический износ может быть достаточно быстрым во время разряда, что может привести к потере емкости, что опять-таки зависит от системы аккумуляторов и температуры. Когда скорость разряда увеличивается, напряжение ячейки уменьшается; Скорость снижения напряжения обычно быстрее при низких температурах. Точно так же емкость ячейки падает быстрее с увеличением нагрузки разряда и понижением температуры. Сброс с высокой скоростью может вызвать аномальные эффекты, так как батарея может нагреваться до температур, значительно превышающих температуру окружающей среды, и, таким образом, показывать те же эффекты при работе при более высоких температурах. Некоторые химические устройства проявляют задержку напряжения при разрядке с высокими скоростями и низкими температурами, где напряжение начинает низкое и медленно увеличивается в течение первых нескольких минут разряда. Задержка напряжения становится более выраженной по мере снижения температуры и повышения скорости.
Срок службы
Самый точный метод определения срока службы - это выполнить фактический жизненный тест батареи в рабочих условиях и запустить батарею, пока она больше не сможет обеспечить требуемую энергию, которая определяется как конец жизни. Существуют также различные математические расчеты, которые могут использоваться для аппроксимации характеристик данной ячейки или батареи в конкретном состоянии разряда и / или для оценки веса или размера ячейки, необходимой для удовлетворения данного требования к обслуживанию.
Регулировка напряжения
Регулирование напряжения, требуемое оборудованием, ограничивает емкость, получаемую от батареи. Разрешение наименьшего возможного предельного напряжения на выходе и самого широкого диапазона напряжения приводит к максимальной доступной емкости. Необходимо контролировать разрядку батареек с несколькими ячейками
Для предотвращения проблем безопасности, которые могут возникнуть из несоответствующих или неуравновешенных ячеек. При работе в последовательной колонке напряжение должно контролироваться, чтобы не допустить, чтобы ячейка с наименьшим напряжением включалась в инверсию напряжения, что, возможно, приводило к выпуску или разрыву элементов.
Регулятор напряжения может использоваться для преобразования переменного выходного напряжения батареи в постоянное выходное напряжение, соответствующее требованиям оборудования. Это позволяет использовать полную емкость батареи; Единственным компромиссом является то, что регулятор напряжения имеет потери.
Другим соображением является ответ напряжения ячейки или батареи при изменении тока разряда во время разряда. Батарея с более низким внутренним сопротивлением будет иметь меньшее падение напряжения и лучшую реакцию на изменения тока нагрузки, чем при более высоком внутреннем сопротивлении.
Зарядное напряжение
Конкретное напряжение и профиль напряжения на заряд зависят от таких факторов, как химия батареи, скорость заряда, температура, срок службы и электрохимические изменения, которые могли произойти в ячейке из-за старения. Для литий-ионных аккумуляторов требуется управление зарядом, чтобы предотвратить перегрузку, что может вызвать вентиляцию или разрыв. Следует соблюдать рекомендации производителей для максимального напряжения и следить за тем, чтобы рекомендации применялись на уровне ячейки.
Условия хранения и срок службы календаря
Батареи являются скоропортящимся продуктом и ухудшаются в результате химических воздействий, возникающих во время хранения, что приводит к саморазряду. Тип конструкции ячейки, химия, температура, состояние заряда и длительность периода хранения являются факторами, влияющими на срок хранения или заряд батареи. Тип разряда после периода хранения также будет влиять на срок хранения батареи. Обычно удержание процентного заряда после хранения (сравнение производительности после и перед хранением) будет ниже для более жестких условий разряда. Поскольку саморазряд происходит при более низкой скорости при пониженных температурах, охлажденное или низкотемпературное хранилище продлевает срок хранения и рекомендуется для некоторых аккумуляторных систем. Рефрижераторные батареи следует нагревать до оптимальной рабочей температуры, предлагаемой изготовителем перед разгрузкой, чтобы получить максимальную емкость и избежать конденсации. Батареи Liion следует хранить при более низких состояниях, чтобы избежать химических изменений в батарее, что приводит к снижению производительности батареи. Следуйте рекомендациям производителя по оптимальным условиям хранения. Характеристики саморазряда ячейки, которая была или разряжается, могут отличаться от характеристик ячейки, которая была сохранена без выгрузки. Знание истории хранения и разрядки батареи необходимо для прогнозирования производительности батареи в этих условиях. Эту информацию обычно можно получить у производителя или хранилища батареи.
Жизненный цикл
Количество циклов зарядки / разрядки, которые выполнялись батареей, влияет как напряжения и емкости аккумулятора. Когда батарея работает циклически, более низкие напряжения и меньшая мощность доступный при разгрузке. Эти воздействия выше при более тяжелых условиях разряда.
Вибрация и удар
Вибрация и шок могут вызвать внутренние шорты, которые могут привести к выпуску электролита, возможному пожару и термическому побегу. Это также может привести к разрушению корпуса ячейки, что может привести к утечке электролита. Способность конструкции батареи выдерживать ожидаемые вибрационные и ударные условия должна быть оценена путем испытания перед использованием.
Другие среды
Другие среды, с которыми столкнулась батарея в течение ее срока службы, могут повлиять на ее возможную производительность. Они могут включать влагу, туман, гриб, мелкий песок, взрывоопасную атмосферу и радиацию. Воздействие различных сред, испытываемых батареей на протяжении ее жизни, должно оцениваться в каждом конкретном случае.
Конструкция батареи
Конструкция многоэлементной батареи должна обеспечивать электрическую непрерывность, механическую стабильность и адекватное управление температурой. Батарея должна обеспечивать как мощность, так и ток, требуемый в пределах напряжения приложения. Производительность ячеек в многоэлементной батарее обычно будет отличаться от производительности отдельных ячеек. Ячейки не могут быть изготовлены одинаково, и каждый из них столкнется с несколько иной обстановкой в батарейном блоке. Конструкция многоэлементной батареи (например, технология упаковки, материал контейнера, изоляция и герметизирующие смеси) будет влиять на производительность, поскольку она влияет на окружающую среду и температуру отдельных клеток. Очевидно, что эти батарейные материалы добавляют к размеру и весу, а удельная энергетическая или энергетическая плотность батарей будет ниже, чем у компонентов. Анализ отказов и эффектов (FMEA) должен выполняться для всех конструкций батарей. Все устройства безопасности ячейки (например, вентиляционные диски, устройства прерывания тока, устройства с положительным температурным коэффициентом, предохранители и переключатели, реле и диоды), встроенные в конструкцию батареи, должны иметь свои режимы отказа и надежность, включенные в общий анализ отказов батареи и надежности, Поскольку они увеличивают количество сценариев сбоев.
Всякий раз, когда существует выбор между различными уровнями риска, связанными с химией, способностью, сложностью, зарядом и применением, следует выбрать вариант, который представляет минимальный риск при выполнении требований к эффективности миссии. Например, выбор батареи для приложений в кабине не должен быть оправдан только с точки зрения стоимости и графика общности с аналогичными или идентичными батареями для использования с ЭВА или полезной нагрузкой. Для аэрокосмических применений степень опасности батареи оценивается как часть оценки конструкции батареи и ее утверждения.
Электрическая конструкция аккумулятора должна минимизировать риск утечки тока от клемм ячейки к корпусу батареи и электростатического разряда и соответствовать всем требованиям по электромагнитной совместимости и совместимости для приложения. Для литий-ионных батарей требуется контроль заряда аккумулятора, чтобы избежать опасностей, связанных с перезарядкой, и их следует разрабатывать вместе с дизайном батареи. С
Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, циклирование может привести к тому, что ячейки в многоэлементном аккумуляторе станут неуравновешенными, и их напряжение, мощность или другие характеристики могут существенно различаться. Это может привести к плохой работе или проблемам безопасности. Количество допустимой рассогласования состояния ячейки зависит от приложения батареи. Приложения с большой пропускной способностью могут заряжать и разряжать до самых слабых ячеек, не требуя контроля на уровне клеток. Для приложений с долговременным сроком службы или небольшим запасом мощности более вероятно, что для надежной работы и безопасности аккумулятора потребуются мониторинг уровня ячейки и контроль над уровнем заряда или разряда.
Батареи и батарейные контейнеры должны быть сконструированы таким образом, чтобы выдержать все условия окружающей среды миссии или приложения. Это включает в себя запуск / отключение / посадки, транспортировку и обработку. Установка или герметизация ячеек в корпусе аккумулятора не должна мешать вентиляционным отверстиям или разрывным дискам.
Конструкции аккумуляторных батарей, которые сохраняют тепло, рассеиваемое клетками, могут повысить производительность при низких температурах. С другой стороны, чрезмерное накопление тепла может нанести ущерб производительности, ресурсу и безопасности батареи. Тепловая конструкция батареи должна поддерживать оптимальный температурный диапазон для всех ячеек батареи в ожидаемых условиях окружающей среды.
Поставщики ячеек, используемые в конструкции аэрокосмических батарей, должны иметь официальный план контроля качества на месте до производства клеток.