Come la temperatura influenza capacità, resistenza interna e tensione
Sommario dei contenuti
LiFePO4-Batterien sono una delle principali tecnologie di batteria dei nostri tempi e le loro prestazioni sono strettamente legate alla temperatura. Che si tratti di motori marini, camper o sistemi solari, la temperatura influisce sulla loro capacità, sulla resistenza interna e sulla tensione in molti modi.
Oggi analizziamo in dettaglio il comportamento alla temperatura di tre campioni di batterie agli ioni di litio ferro-fosfato e traiamo raccomandazioni pratiche per il funzionamento ottimale.
1. Influenza della temperatura sulla capacità della batteria
A basse temperature la capacità della batteria diminuisce estremamente velocemente, mentre a temperature superiori a quella ambiente aumenta più lentamente. A -40°C la capacità è solo circa un terzo del valore nominale. Tra 0°C e 60°C la capacità aumenta da 80% a 110% della capacità nominale.
Punti di transizione critici nel campo delle basse temperature:
- A 0°C: 80,2% della capacità a temperatura ambiente
- A -10°C: Ridotta a 66,4% reduziert
- A -20°C: Resta solo 44,1% verbleibend
Osservazioni importanti:
• Il tasso di diminuzione a -20°C (15,6%) è il doppio rispetto a -15°C (7,3%) - quindi -20°C è considerata una soglia critica per le batterie LiFePO4.
• La capacità di carica e scarica aumenta a temperatura ambiente di solo il 10 percento.
• Al di sopra di 50°C la capacità cala di nuovo - a 60°C corrisponde a quella a temperatura ambiente.
Dopo 20 ore di stoccaggio a diverse temperature e scarica a 0,3C:
- A -20°C: Solo 55% della capacità a temperatura ambiente
- A 55°C: Leggero aumento della capacità rispetto a 25°C
Temperatura di esercizio ottimale
Basato sui dati di tutti i campioni: 0°C a 50°C è l'intervallo di temperatura ottimale per massima capacità e lunga durata.
Influenza della temperatura sulla capacità - Riepilogo
| Intervallo di temperatura | Comportamento della capacità | Raccomandazione |
|---|---|---|
| < -20°C | Perdita di capacità estrema (<50%) | Evitare |
| -20°C a 0°C | Perdita di capacità significativa (44-80%) | Usare riscaldamento |
| 0°C a 25°C | Leggero aumento (80-100%) | Ideale |
| 25°C a 50°C | Capacità massima (100-110%) | Ottimale |
| > 50°C | Riduzione della capacità | Necessaria raffreddamento |
2. Influenza della temperatura sulla resistenza interna
Curve della resistenza interna ohmica durante la carica della batteria per ciascun valore di SOC a tre temperature 
Curve della resistenza interna di polarizzazione di carica della batteria corrispondenti a ciascun valore di SOC a tre temperature
Curve della resistenza interna totale di carica della batteria corrispondenti a ciascun valore di SOC a tre temperature
Curve della resistenza interna ohmica della batteria durante la scarica corrispondenti a ciascun valore di SOC a tre temperature
Curve della resistenza interna di polarizzazione di scarica delle celle corrispondenti a ciascun valore di SOC a tre temperature
Curve della resistenza interna totale delle batterie scaricate corrispondenti a ciascun valore di SOC a tre temperature• In un ampio intervallo di SOC (0,3-1,0) la resistenza interna rimane stabile a temperatura costante
• A SOC basso (<0,1) la resistenza aumenta drasticamente
• La resistenza di polarizzazione aumenta più velocemente della resistenza ohmica
Con la diminuzione della temperatura aumentano sia la resistenza ohmica che quella di polarizzazione. La resistenza ohmica è però più sensibile alla temperatura, poiché dipende principalmente dalla conduttività ionica dell'elettrolita, che diminuisce con il freddo.
• Il cambiamento di resistenza è più pronunciato a basse temperature
• A 25°C il comportamento somiglia più a quello a 40°C che a 10°C
• Più bassa è la temperatura, più la resistenza aumenta con la diminuzione del SOC
• La resistenza ohmica aumenta con la diminuzione della temperatura più della resistenza di polarizzazione
• Sotto 0°C la resistenza totale aumenta in modo molto più marcato
• A temperature superiori a 0°C la resistenza ohmica è indipendente dal SOC
Scoperta chiave: composizione della resistenza
La resistenza ohmica domina la resistenza totale e può costituire fino al 92,13%. Pertanto la riduzione della resistenza ohmica è cruciale per ridurre il calore.
Resistenza interna e temperatura - Riepilogo
| Parametro | Influenza della temperatura | Implicazione pratica |
|---|---|---|
| Resistenza ohmica | Massima sensibilità alla temperatura | Principale causa di generazione di calore |
| Resistenza di polarizzazione | Minore sensibilità alla temperatura | Aumenta prima a SOC basso |
| Resistenza totale | Aumenta esponenzialmente al freddo | Critica sotto -5°C |
| Intervallo SOC ottimale | 0,2-0,8 per resistenza stabile | Mantenere per prestazioni migliori |
3. Influenza della temperatura sulla tensione a circuito aperto (OCV)
La tensione a circuito aperto (OCV) delle batterie LiFePO4 aumenta con l'aumento del SOC, ma rimane relativamente piatta nell'intervallo SOC medio (0,3-1,0). Al di sotto di SOC 0,3 la tensione cala notevolmente.
• Le curve OCV per carica e scarica differiscono leggermente
• Dopo una pausa la tensione si avvicina al valore OCV reale
• Temperature più basse portano in generale a curve OCV più basse
Basi termodinamiche
L'OCV è determinata dall'equazione di Nernst e dipende dalla forza elettromotrice standard, dalla temperatura termodinamica e dalla concentrazione dei reagenti. Nell'intervallo 10-40°C le differenze di OCV sono minime.
OCV e temperatura - Riepilogo
| Fattore | Influenza sull'OCV | Osservazioni |
|---|---|---|
| Temperatura (10-40°C) | Bassa | Differenze spesso trascurabili |
| SOC | Fattore determinante principale | Stabile nell'intervallo medio (0,3-0,8) |
| Temperatura <10°C | Influenza più marcata | Le deviazioni aumentano |
| Storia di carica/scarica | Differenze minime | Compensabili tramite rilassamento |
Riepilogo e raccomandazioni
Principali conclusioni dall'analisi
1. Intervallo di temperatura ottimale: 0°C a 50°C
2. Effetto del freddo:
- -20°C è il punto critico per perdite drastiche di prestazioni
- Perdita significativa di capacità e forte aumento della resistenza interna
3. Effetto del calore:
- Oltre 50°C può portare a perdita di capacità a lungo termine
4. Resistenza interna:
- La resistenza ohmica è la più sensibile alla temperatura
- A basse temperature e SOC basso la resistenza aumenta fortemente
- Per funzionamento efficiente mantenere SOC tra 0,2 e 0,8
5. Tensione a circuito aperto (OCV):
- Determinata principalmente dal SOC
- Più stabile nell'intervallo SOC medio
- La temperatura ha solo un'influenza ridotta (10-40°C)
Raccomandazioni pratiche per gli utenti
- Usare sistemi di gestione della temperatura (riscaldamento/raffreddamento) in ambienti estremi
- Evitare la sovrascarica profonda soprattutto a basse temperature
- Mantenere il range SOC tra 20% e 80% per prestazioni ottimali
- Monitorare la temperatura della batteria in tempo reale nelle applicazioni esigenti
- Lasciare le batterie dopo la carica/scarica riposare a sufficienza, per ottenere misurazioni OCV accurate
LiFePO4-Batterien offrono, con la loro alta sicurezza e lunga durata, ottime prestazioni per applicazioni di trazione e stoccaggio. Comprendere le loro proprietà termiche permette una gestione basata su dati scientifici, che prolunga la vita utile e aumenta l'efficienza.
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