बैटरी डिस्चार्ज कर्व कैसे पढ़ें

बैटरी डिस्चार्ज कर्व कैसे पढ़ें

बैटरियां जटिल इलेक्ट्रोकेमिकल और थर्मोडायनामिक सिस्टम हैं, और कई कारक उनके प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं। बेशक, बैटरी रसायन विज्ञान सबसे महत्वपूर्ण कारक है। हालाँकि, यह समझते समय कि किसी विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए किस प्रकार की बैटरी सबसे उपयुक्त है, चार्ज डिस्चार्ज दर, ऑपरेटिंग तापमान, भंडारण की स्थिति और भौतिक संरचना विवरण जैसे कारकों पर विचार करना भी आवश्यक है। सबसे पहले, कई शब्दों को परिभाषित करने की आवश्यकता है:

★ ओपन सर्किट वोल्टेज (वोक) बैटरी टर्मिनलों के बीच का वोल्टेज है जब बैटरी पर कोई लोड नहीं होता है।

★ टर्मिनल वोल्टेज (वीटी) बैटरी पर लोड लागू होने पर बैटरी टर्मिनलों के बीच का वोल्टेज है; आमतौर पर वोक से कम.

कट-ऑफ वोल्टेज (वीसीओ) वह वोल्टेज है जिस पर बैटरी पूरी तरह से डिस्चार्ज हो जाती है, जैसा कि निर्दिष्ट है। हालाँकि आमतौर पर बैटरी की शक्ति शेष रहती है, लेकिन Vco से कम वोल्टेज पर काम करने से बैटरी खराब हो सकती है।

★ क्षमता कुल एम्पीयर घंटे (एएच) को मापती है जो एक बैटरी पूरी तरह चार्ज होने पर प्रदान कर सकती है, जब तक कि वीटी वीसीओ तक नहीं पहुंच जाता।

चार्ज डिस्चार्ज रेट (सी-रेट) वह दर है जिस पर बैटरी को उसकी रेटेड क्षमता के सापेक्ष चार्ज या डिस्चार्ज किया जाता है। उदाहरण के लिए, 1C की दर 1 घंटे के भीतर बैटरी को पूरी तरह चार्ज या डिस्चार्ज कर देगी। 0.5C की डिस्चार्ज दर पर, बैटरी 2 घंटे के भीतर पूरी तरह से डिस्चार्ज हो जाएगी। उच्च सी-रेट का उपयोग करने से आमतौर पर उपलब्ध बैटरी क्षमता कम हो जाती है और बैटरी खराब हो सकती है।

★ बैटरी चार्जिंग स्थिति (SoC) शेष बैटरी क्षमता को अधिकतम क्षमता के प्रतिशत के रूप में निर्धारित करती है। जब SoC शून्य पर पहुंच जाता है और Vt Vco पर पहुंच जाता है, तब भी बैटरी में शेष बैटरी पावर हो सकती है, लेकिन बैटरी को नुकसान पहुंचाए बिना और भविष्य की क्षमता को प्रभावित किए बिना, बैटरी को आगे डिस्चार्ज नहीं किया जा सकता है।

★ डिस्चार्ज डेप्थ (DoD) SoC का पूरक है, जो डिस्चार्ज की गई बैटरी क्षमता का प्रतिशत मापता है; DoD=100- SoC.

① चक्र जीवन बैटरी के सेवा जीवन के अंत तक पहुंचने से पहले उपलब्ध चक्रों की संख्या है।

बैटरी जीवन की समाप्ति (ईओएल) पूर्व निर्धारित न्यूनतम विनिर्देशों के अनुसार बैटरी के संचालन में असमर्थता को संदर्भित करता है। ईओएल को विभिन्न तरीकों से निर्धारित किया जा सकता है:

① क्षमता क्षय निर्दिष्ट शर्तों के तहत रेटेड क्षमता की तुलना में बैटरी क्षमता में दिए गए प्रतिशत में कमी पर आधारित है।

② पावर क्षीणन निर्दिष्ट शर्तों के तहत रेटेड पावर की तुलना में दिए गए प्रतिशत पर बैटरी की अधिकतम पावर पर आधारित है।

③ ऊर्जा थ्रूपुट विशिष्ट परिचालन स्थितियों के आधार पर ऊर्जा की कुल मात्रा को निर्धारित करता है जिसे बैटरी द्वारा अपने जीवनकाल के दौरान संसाधित करने की उम्मीद की जाती है, जैसे कि 30MWh।

★ बैटरी की स्वास्थ्य स्थिति (SoH) ईओएल तक पहुंचने से पहले शेष उपयोगी जीवन के प्रतिशत को मापती है।

ध्रुवीकरण वक्र

बैटरी डिस्चार्ज वक्र का निर्माण डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान होने वाले बैटरी के ध्रुवीकरण प्रभाव के आधार पर होता है। ऊर्जा की वह मात्रा जो एक बैटरी विभिन्न परिचालन स्थितियों, जैसे सी-रेट और ऑपरेटिंग तापमान, के तहत प्रदान कर सकती है, डिस्चार्ज वक्र के तहत क्षेत्र से निकटता से संबंधित है। डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, बैटरी का वीटी कम हो जाएगा। वीटी में कमी कई मुख्य कारकों से संबंधित है:

✔ आईआर ड्रॉप - बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध से गुजरने वाले करंट के कारण बैटरी वोल्टेज में कमी। यह कारक स्थिर तापमान के साथ अपेक्षाकृत उच्च निर्वहन दर पर रैखिक रूप से बढ़ता है।

✔ सक्रियण ध्रुवीकरण - इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं के कैनेटीक्स से संबंधित विभिन्न मंदी कारकों को संदर्भित करता है, जैसे कि कार्य फ़ंक्शन जिसे आयनों को इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच जंक्शन पर दूर करना होगा।

✔ एकाग्रता ध्रुवीकरण - यह कारक एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में बड़े पैमाने पर स्थानांतरण (प्रसार) के दौरान आयनों द्वारा सामना किए जाने वाले प्रतिरोध को ध्यान में रखता है। यह कारक तब हावी होता है जब लिथियम-आयन बैटरियां पूरी तरह से डिस्चार्ज हो जाती हैं, और वक्र का ढलान बहुत तेज हो जाता है।

बैटरी का ध्रुवीकरण वक्र (डिस्चार्ज वक्र) वीटी (बैटरी क्षमता) पर आईआर कमी, सक्रियण ध्रुवीकरण और एकाग्रता ध्रुवीकरण के संचयी प्रभाव को दर्शाता है। (छवि: बायोलॉजिक)

निर्वहन वक्र विचार

बैटरियों को अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए डिज़ाइन किया गया है और विभिन्न प्रदर्शन विशेषताएँ प्रदान करती हैं। उदाहरण के लिए, कम से कम छह बुनियादी लिथियम आयन रासायनिक प्रणालियाँ हैं, जिनमें से प्रत्येक का अपना अनूठा फीचर सेट है। डिस्चार्ज वक्र को आमतौर पर Y-अक्ष पर Vt के साथ प्लॉट किया जाता है, जबकि SoC (या DoD) को X-अक्ष पर प्लॉट किया जाता है। बैटरी प्रदर्शन और सी-रेट और ऑपरेटिंग तापमान जैसे विभिन्न मापदंडों के बीच संबंध के कारण, प्रत्येक बैटरी रासायनिक प्रणाली में विशिष्ट ऑपरेटिंग पैरामीटर संयोजनों के आधार पर डिस्चार्ज वक्रों की एक श्रृंखला होती है। उदाहरण के लिए, निम्नलिखित आंकड़ा कमरे के तापमान और 0.2C डिस्चार्ज दर पर दो सामान्य लिथियम-आयन रासायनिक प्रणालियों और लेड-एसिड बैटरियों के डिस्चार्ज प्रदर्शन की तुलना करता है। डिजाइनरों के लिए डिस्चार्ज वक्र का आकार बहुत महत्वपूर्ण है।

एक फ्लैट डिस्चार्ज वक्र कुछ एप्लिकेशन डिज़ाइन को सरल बना सकता है, क्योंकि बैटरी वोल्टेज पूरे डिस्चार्ज चक्र के दौरान अपेक्षाकृत स्थिर रहता है। दूसरी ओर, ढलान वक्र अवशिष्ट चार्ज के अनुमान को सरल बना सकता है, क्योंकि बैटरी वोल्टेज बैटरी में अवशिष्ट चार्ज से निकटता से संबंधित है। हालाँकि, फ्लैट डिस्चार्ज कर्व्स वाली लिथियम-आयन बैटरियों के लिए, अवशिष्ट चार्ज का अनुमान लगाने के लिए अधिक जटिल तरीकों की आवश्यकता होती है, जैसे कि कूलम्ब काउंटिंग, जो बैटरी के डिस्चार्ज करंट को मापता है और अवशिष्ट चार्ज का अनुमान लगाने के लिए समय के साथ करंट को एकीकृत करता है।

इसके अलावा, नीचे की ओर झुके हुए डिस्चार्ज कर्व वाली बैटरियां पूरे डिस्चार्ज चक्र के दौरान शक्ति में कमी का अनुभव करती हैं। डिस्चार्ज चक्र के अंत में उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों का समर्थन करने के लिए 'अतिरिक्त आकार' की बैटरी की आवश्यकता हो सकती है। तीव्र डिस्चार्ज कर्व्स वाली बैटरियों का उपयोग करके संवेदनशील उपकरणों और प्रणालियों को बिजली देने के लिए बूस्ट वोल्टेज रेगुलेटर का उपयोग करना आमतौर पर आवश्यक होता है।

निम्नलिखित लिथियम-आयन बैटरी का डिस्चार्ज वक्र है, जो दर्शाता है कि यदि बैटरी को बहुत अधिक दर पर (या इसके विपरीत, कम दर पर) डिस्चार्ज किया जाता है, तो प्रभावी क्षमता कम हो जाएगी (या बढ़ जाएगी)। इसे क्षमता परिवर्तन कहा जाता है, और यह प्रभाव अधिकांश बैटरी रसायन प्रणालियों में आम है।

C दर की वृद्धि के साथ लिथियम-आयन बैटरी की वोल्टेज और क्षमता कम हो जाती है। (छवि: रिचटेक)

कार्यशील तापमान एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है जो बैटरी के प्रदर्शन को प्रभावित करता है। बहुत कम तापमान पर, पानी-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स वाली बैटरियां जम सकती हैं, जिससे उनके ऑपरेटिंग तापमान रेंज की निचली सीमा सीमित हो जाती है। लिथियम आयन बैटरियां कम तापमान पर नकारात्मक इलेक्ट्रोड लिथियम जमाव का अनुभव कर सकती हैं, जिससे क्षमता स्थायी रूप से कम हो जाती है। उच्च तापमान पर, रसायन विघटित हो सकते हैं और बैटरी काम करना बंद कर सकती है। ठंड और रासायनिक क्षति के बीच, बैटरी का प्रदर्शन आमतौर पर तापमान परिवर्तन के साथ काफी भिन्न होता है।

निम्नलिखित आंकड़ा लिथियम-आयन बैटरी के प्रदर्शन पर विभिन्न तापमानों के प्रभाव को दर्शाता है। बहुत कम तापमान पर, प्रदर्शन में काफी कमी आ सकती है। हालाँकि, बैटरी डिस्चार्ज वक्र बैटरी प्रदर्शन का केवल एक पहलू है। उदाहरण के लिए, लिथियम-आयन बैटरी के ऑपरेटिंग तापमान और कमरे के तापमान (चाहे उच्च या निम्न तापमान पर) के बीच विचलन जितना अधिक होगा, चक्र जीवन उतना ही कम होगा। विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए, विभिन्न बैटरी रासायनिक प्रणालियों की प्रयोज्यता को प्रभावित करने वाले सभी कारकों का संपूर्ण विश्लेषण इस लेख के बैटरी डिस्चार्ज वक्र के दायरे से परे है। विभिन्न बैटरियों के प्रदर्शन का विश्लेषण करने के लिए अन्य तरीकों का एक उदाहरण लैगोन प्लॉट है।

बैटरी वोल्टेज और क्षमता तापमान पर निर्भर करती है। (छवि: रिचटेक)

लैगोन प्लॉट

लैगून आरेख विभिन्न ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों की विशिष्ट शक्ति और विशिष्ट ऊर्जा की तुलना करता है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों पर विचार करते समय, विशिष्ट ऊर्जा रेंज से संबंधित होती है, जबकि विशिष्ट शक्ति त्वरण प्रदर्शन से मेल खाती है।

विभिन्न प्रौद्योगिकियों की विशिष्ट ऊर्जा और विशिष्ट शक्ति के बीच संबंधों की तुलना करने वाला एक रैगोन आरेख। (छवि: रिसर्चगेट)

लैगून आरेख द्रव्यमान ऊर्जा घनत्व और शक्ति घनत्व पर आधारित है, और इसमें वॉल्यूम मापदंडों से संबंधित कोई भी जानकारी शामिल नहीं है। हालाँकि मेटलर्जिस्ट डेविड वी. लैगोन ने विभिन्न बैटरी रसायन विज्ञान के प्रदर्शन की तुलना करने के लिए इन चार्टों को विकसित किया है, लैगोन चार्ट इंजन, गैस टर्बाइन और ईंधन कोशिकाओं जैसे ऊर्जा भंडारण और ऊर्जा उपकरणों के किसी भी सेट की तुलना करने के लिए भी उपयुक्त है।

Y-अक्ष पर विशिष्ट ऊर्जा और X-अक्ष पर विशिष्ट शक्ति के बीच का अनुपात डिवाइस द्वारा रेटेड पावर पर संचालित होने वाले घंटों की संख्या है। डिवाइस का आकार इस संबंध को प्रभावित नहीं करता है, क्योंकि बड़े उपकरणों में आनुपातिक रूप से अधिक शक्ति और ऊर्जा क्षमता होगी। लैगून आरेख पर निरंतर संचालन समय का प्रतिनिधित्व करने वाला समकालिक वक्र एक सीधी रेखा है।

सारांश

बैटरी के डिस्चार्ज कर्व और विशिष्ट बैटरी रसायन विज्ञान से संबंधित डिस्चार्ज कर्व परिवार को बनाने वाले विभिन्न मापदंडों को समझना महत्वपूर्ण है। जटिल इलेक्ट्रोकेमिकल और थर्मोडायनामिक प्रणालियों के कारण, बैटरियों के डिस्चार्ज वक्र भी जटिल होते हैं, लेकिन वे विभिन्न बैटरी रसायन विज्ञान और संरचनाओं के बीच प्रदर्शन व्यापार-बंद को समझने का एक तरीका मात्र हैं।