ولتاژ و ظرفیت

دو پارامتر مهم در باتری، ولتاژ و ظرفیت می­ باشد. پتانسیل الکتروشیمیایی سلول ولتاژ نامیده شده و بر حسب ولت [V] بیان می­ شود. با استفاده از این پارامتر می­ توان نوع ماده فعال بکار رفته در سلول را تعیین نمود. از طرفی حجم مواد فعال بکار رفته درون سلول، تعیین کننده ظرفیت سلول می ­باشد. ظرفیت بر حسب آمپرساعت بیان شده و مقدار انرژی را که می­ توان در باتری ذخیره نمود را بیان می­ کند. ظرفیت نامی که توسط سازندگان باتری تعریف می­ شود، ظرفیت باتری را تحت شرایط خاص تعیین می­کند. با این حال، شرایط مختلف عملکردی (به عنوان مثال نرخ شارژ و دشارژ بالا و دما) و گذشت عمر باتری می ­توانند تاثیر بسزایی در ظرفیت باتری داشته باشند.

SOC و DOD

وضعیت شارژ (SOC) باتری نشان دهنده میزان انرژی (ظرفیت) باقی­مانده باتری می­ باشد. و معمولا برحسب درصدی بین 0 تا 100 بیان می ­شود. به عنوان مثال، زمانی که باتری بصورت کامل شارژ باشد SOC برابر 100% خواهد بود.

عمق دشارژ (DOD) دارای تعریفی بر عکس SOC می­باشد. DOD نشان دهنده میزان انرژی (ظرفیت) تخلیه شده باتری می­باشد. این پارامتر نیز مانند SOC برحسب درصد بیان می­ شود.

C-rate

جریانی که باتری با آن شارژ یا دشارژ می­ شود بر حسب C-rate بیان می­­ شود. C-rate نشان دهنده جریان مورد نیاز برای دشارژ (یا شارژ) باتری در یک دوره زمانی تعیین شده است. برای مثال یک باتری که دارای ظرفیت 20 آمپرساعت است با جریان­دهی ثابت به مقدار 20 آمپر (C-rate=1C) در طول 1 ساعت بصورت کامل تخلیه خواهد شد. اگر از همین باتری به میزان 40 آمپر (C-rate=2C) بصورت پیوسته جریان کشیده شود، در مدت 30 دقیقه تخلیه خواهد شد.

امپدانس داخلی (مقاومت داخلی)

امپدانس داخلی یک سلول به عوامل زیادی (نظیر دما، SOC و C-rate) وابسته است. بنابراین، نمی­ توان آن را به عنوان یک پارامتر ثابت در نظر گرفت. از این پارامتر معمولا به منظور مدل­ سازی افت ولتاژ سلول تحت بار استفاده شده و به عنوان پارامتری برای ارزیابی توانایی سلول در تواندهی محسوب می­ گردد. هرچه مقاومت داخلی یک سلول کمتر باشد، توانایی جریان­دهی آن بیشتر می ­باشد. مقاومت داخلی سلول­ های لیتیوم یون معمولا در محدوده میلی اهم می­ باشد.

مدار معادل امپدانس داخلی باتری در شکل زیر نشان داده شده است.

در مدار فوق:

R_m: مقاومت مسیر فلزی داخل سلول شامل ترمینال­ ها، الکترودها و اتصالات بین آن­ها می ­باشد.

R_a: مقاومت معادل سازی شده مسیر الکتروشیمیایی شامل الکترولیت و جداساز می­ باشد.

C_b: خازن معادل­سازی شده بین صفحات موازی که الکترودهای سلول را تشکیل می­ دهند، می­ باشد.

R_i: مقاومت غیرخطی بین صفحه یا الکترود و الکترولیت می­ باشد.

هنگامیکه جریان درون سلول جاری می­ گردد، در اثر مقاومت داخلی سلول، افت ولتاژی معادل IR در دو سر سلول ایجاد می­ گردد. افت ولتاژ بوجود آمده باعث کاهش افت ولتاژ تحت بار و همچنین افزایش ولتاژ سلول در هنگام شارژ می­ گردد. به عبارت دیگر، ظرفیت موثر سلول در هنگام شارژ و دشارژ کاهش یافته است.

انرژی و توان

انرژی باتری از حاصلضرب ولتاژ در ظرفیت باتری تعریف می­ گردد:

E[Wh]= Capacity[Ah].Voltage[V]

لازم به ذکر است که انرژی ذخیره شده در باتری در نتیجه فاکتورهای مختلفی همچون عمر باتری، دما و شرایط کارکرد از مقدار نامی که توسط شرکت سازنده در برگه مشخصات فنی داده شده است، می ­تواند تغییر کند.

میزان قابلیت تواندهی باتری نیز بصورت زیر تعریف می ­شود:

Power[Wh]= Voltage[V].Current[A]

انرژی، توان، هزینه، ایمنی و طول عمر مهمترین پارامترها برای تعریف عملکرد باتری هستند.

دشارژ داخلی (self discharge)

نرخ دشارژ داخلی نشان دهنده میزان انرژی تخلیه شده سلول در زمانی است که بدون استفاده از آن  و در نتیجه واکنش­ های شیمیایی داخلی در آن رخ می ­دهد. نرخ دشارژ داخلی به ترکیب شیمیایی سلول و دما وابسته می­ باشد. سلول­ های لیتیوم یون معمولا دارای دارای نرخ دشارژ داخلی 2 الی 3 درصد در ماه هستند.

سیکل عمر (Cycle life)

سیکل عمر (Cycle life) یکی از مهم­ترین پارامترهای عملکردی سلول بوده و دوره زمانی مورد انتظار کارکرد سلول می­ باشد.

سیکل عمر تعداد سیکل های شارژ و دشارژی است که یک سلول پیش از رسیدن ظرفیت آن به 80% ظرفیت تعیین شده اولیه می­تواند طی کند. (هر شارژ و دشارژ، یک سیکل محسوب می­گردد)

پس از رسیدن ظرفیت به 80%، سلول بصورت ناگهانی از بین نمی ­رود، بلکه با نرخ بسیار آهسته­ ای شروع به کاهش ظرفیت و در نهایت تخریب داخلی می­ رود.

سیکل عمری که در مشخصات فنی سلول توسط شرکت سازنده تعیین می­ شود، معمولا تحت شرایط خاصی است که از جمله آن می ­توان به شارژ سلول به صورت کامل و دشارژ آن بصورت کامل اشاره نمود. در شرایط کارکرد واقعی، معمولا کاربر سلول را بصورت کامل (100%) شارژ نمی ­کند و از طرفی آن را بصورت کامل دشارژ نمی ­کند که این موضوع باعث افزایش سیکل عمر سلول و باتری خواهد گردید. البته عوامل دیگری از جمله دما، پیوستگی کارکرد، نرخ شارژ و دشارژ نیز بر سیکل عمر سلول اثر گذار خواهند بود و هرکدام به نوبه خود می­ توانند باعث کاهش یا افزایش سیکل عمر سلول نسبت به مقدار بیان شده در برگه مشخصات فنی گردد.

شکل زیر منحنی سیکل عمر سلول پاناسونیک NCR18650GA را نشان می ­دهد. همانگونه که از این نمودار مشخص است این سکل عمر برای شارژ و دشارژ تحت شرایط مشخص تعریف شده است.

سیکل عمر سلول Panasonic NCR18650GA تحت شرایط (شارژ با 0.5C در دمای 25 درجه سانتیگراد و قطع شارژ در 100 میلی آمپر در ولتاژ 2/4 ولت. دشارژ با جریان 6 آمپر تا رسیدن به ولتاژ 5/2 در دمای 25 درجه سانتیگراد)

دمای عملکرد:

سلول­ های لیتیوم یون، بصورت متداول دارای دمای شارژ بین 0 تا 45 درجه سانتیگراد و عملکرد بین 20- تا 60 درجه سانتیگراد هستند.

بالا رفتن دمای سلول در حین شارژ و دشارژ در دراز مدت می­ تواند موجب تخریب سلول گردد. کارکرد در دمای بالا موجب آغاز واکنش­ های شیمیایی برگشت ناپذیر یا ناخواسته و یا از بین رفتن الکترولیت می­ گردد که این موضوع باعث آسیب دائمی سلول یا تخریب باتری می­ گردد. و به همین دلیل است که برای باتری حد بالای دما در نظر گرفته می­ شود.

دمای بسیار پایین می­تواند منجربه یخ زدگی الکترولیت گردد که این موضوع باعث شده است برای سلول یک حد پایین دمای عملکرد تعیین شود. هر چند که باتری ممکن است در دمایی پایین­ تر از 20- یا 30- کار کند اما بصورت جدی دچار آسیب خواهد شد.

با توجه به حساسیت­ های بیان شده در رابطه با دمای عملکرد باتری و سلول، بحث مدیریت دمایی باتری­ ها در حوزه ­هایی نظیر وسایل نقلیه هیبریدی و الکتریکی و همچنین­ کاربردهای توان بالا، از اهمیت ویژه ­ای برخودار است.