От чего зависит емкость аккумулятора: Аккумулятор и производительность iPhone — Служба поддержки Apple

Что такое емкость аккумулятора и от чего она зависит | Электрик Инфо

Взглянув на маркировку любого современного аккумулятора, будь то литий-ионный аккумулятор сотового телефона или свинцово-кислотный аккумулятор от источника бесперебойного питания, — мы всегда сможем найти там сведения не только о номинальном напряжении данного источника питания, но и о его электрической емкости.

Обычно это цифры вроде: 2200 mAh (читается как 2200 миллиампер-часов), 4Ah (4 ампер-часа) и т. д. Как видите, для измерения электрической емкости аккумулятора применяется внесистемная единица измерения — Ah (Ampere hour) — «ампер-час», а вовсе не «фарад» как для конденсаторов. И часы здесь фигурируют отнюдь не просто так, а по той причине, что обычный аккумулятор, в отличие от обычного конденсатора, способен питать нагрузку буквально часами.

Если попытаться объяснить совсем просто, то емкость аккумулятора в ампер-часах — это численное выражение того, как долго данный аккумулятор сможет питать нагрузку с определенным током потребления.

Например, если аккумулятор с номинальным напряжением 12 вольт полностью заряжен, при том имеет емкость 4 Ah, то это значит, что нагрузку с током потребления в 0,4 ампера, с номинальным напряжением в 12 вольт, данный аккумулятор будет в состоянии питать на протяжении 10 часов, пока не наступит состояние, при котором дальнейший его разряд станет опасным для рабочих характеристик. А через нагрузку с током потребления в 1 ампер, этот же аккумулятор будет разряжаться 4 часа (теоретически разумеется).

Конечно, для каждого аккумулятора существует ограничение по максимально допустимому разрядному току, и чем выше будет разрядный ток — тем ниже окажется линейность разрядной характеристики, и тем быстрее аккумулятор будет садиться по сравнению с расчетным временем.

Минимально допустимое напряжение, до которого можно разряжать аккумулятор, также регламентируется и всегда указывается в документации на конкретный аккумулятор, как и максимальное безопасное напряжение, выше которого заряжать аккумулятор уже очень не желательно.

Так например типичное для литий-ионного аккумулятора на 3,7 вольт, предельно допустимое минимальное напряжение разряда составляет 2,75 вольт, а максимальное — 4,25 вольт. Если разрядить литиевый аккумулятор до менее чем 2,75 вольт, то аккумулятор начнет терять емкость, а если перезарядить его сверх меры — может взорваться.

Для свинцово-кислотного аккумулятора на 12 вольт, предельно безопасный минимум равен 9,6 вольт, а максимум, до которого можно заряжать, составляет 13 вольт и т. д.

Как видите, в сведениях о емкости (в ампер-часах) вольты не упоминаются вовсе. А между тем, если перевести часы в секунды, а затем величину емкости умножить на напряжение аккумулятора, то получим величину энергии заряда данного аккумулятора в джоулях:

Так или иначе, емкость исправного аккумулятора практически не зависит от напряжения на его клеммах в текущий момент. А вот когда мы произносим «заряд аккумулятора», то имеем ввиду уже не емкость, а как раз то напряжение, до которого аккумулятор сейчас заряжен. Если аккумулятор заряжен до номинального напряжения, то можно рассчитывать на ту емкость, которой аккумулятор в этот момент обладает. Если же аккумулятор разряжен, то его емкость уже не имеет значения.

При этом реальная емкость аккумулятора, как можно видеть по семейству разрядных характеристик, сильно зависит от величины тока разряда. 10-часовой разряд и 10-минутный разряд, например для свинцово-кислотного аккумулятора (см. рисунок выше), покажут разницу в емкости приблизительно вдвое!

Можно обнаружить даже более-менее точную математическую зависимость между разрядным током и временем разряда того или иного экземпляра аккумулятора. Эту зависимость выявил немецкий ученый Пейкерт, и ввел так называемый «коэффициент Пейкерта» р, который, к примеру, для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов находится в районе 1,25. Чем выше ток разряда — тем меньше время разряда. А константа в правой части уравнения — напрямую зависит он номинальной емкости аккумулятора.

При желании реальную емкость аккумулятора можно определить очень просто: зарядить полностью аккумулятор (до максимально разрешенного напряжения, которое указано в документации), а затем разрядить постоянным током (близким к 10-часовой разрядной характеристике из документации) до конечного напряжения разряда (которое также приведено в документации). Перемножить ток разряда и время разряда в часах — получится реальная емкость аккумулятора в ампер- или в миллиампер-часах. 

Смотрите также на нашем сайте:

Андрей Повный, автор сайта Электрик Инфо — электротехника и электроника в простом и доступном изложении.

Емкость аккумулятора и аккумуляторной батареи

Категория:

   Электрооборудование автомобилей

Публикация:

   Емкость аккумулятора и аккумуляторной батареи

Читать далее:

Емкость аккумулятора и аккумуляторной батареи

Емкостью аккумулятора называют количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при непрерывном разряде постоянной силой тока до определенного конечного напряжения. По ГОСТ 959.0—71 номинальная емкость С20 стартерных батарей гарантируется при непрерывном 20-часовом разряде батареи силой тока, равной 0,05Сзо, до напряжения 1,75 В на отстающем аккумуляторе, средней температуре электролита 25 °С и его начальной плотности 1,285 г/см.

Для определения емкости батареи ее сначала полностью заряжают силой тока I — 0,1 С20 и доводят плотность электролита до 1,285 г/см3, а затем разряжают силой тока I = 0,05 С20 до тех пор, пока на одном из отстающих аккумуляторов напряжение не понизится до 1,75 В.

При стартерном режиме разряда батарею разряжают силой тока 1 — 3 С20. Если начальная температура электролита была +25 °С, разряд батареи прерывают, когда на одном из аккумуляторов напряжение понизится до 1,5 В; при начальной температуре электролита —18 °С эта величина должна составлять 1В.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Емкость батареи при 20-часовом режиме разряда больше емкости при Ю-часовом режиме разряда в 1,13 — 1,14 раза.

Емкость батареи при последовательном соединении одинаковых по емкости аккумуляторов равна емкости одного аккумулятора, а э. д. с. батареи равна сумме э. д. с. аккумуляторов, входящих в батарею.

При параллельном соединении аккумуляторов в батарею ее емкость равна сумме емкостей всех аккумуляторов, а э. д. с. батареи равна э. д. с. одного аккумулятора.

В практике обычно параллельно соединяют 12-вольтные батареи с целью увеличения емкости для пуска двигателя стартером, потребляющим большую силу тока.

При эксплуатации батарей разрядная емкость аккумуляторов зависит от следующих основных факторов: массы и пористости активной массы положительных и отрицательных пластин; силы разрядного тока; температуры электролита; плотности электролита; химической чистоты серной кислоты, воды и материалов, из которых изготовлены решетки и активная масса пластин; чистоты поверхности крышек аккумуляторов батареи; длительности работы пластин и др.

Увеличить емкость аккумулятора при одной и той же массе пластин можно путем увеличения количества пластин за счет уменьшения их толщины и увеличения пористости активной массы. При большем количестве пластин, меньшей их толщине и большей пористости активной массы увеличивается площадь соприкосновения активной массы с электролитом, облегчается проникновение электролита в глубокие слои активной массы, а следовательно, увеличивается количество активной массы, участвующей в химических реакциях, что повышает емкость аккумулятора.

Сила разрядного тока оказывает значительное влияние на емкость аккумуляторной батареи. При увеличении силы разрядного тока, особенно при включении стартера, внутри пор активной массы положительных пластин быстро образуется большое количество воды, поэтому плотность электролита в порах значительно снижается. Следовательно, поверхностные слои активной массы пластин будут омываться более плотным электролитом и вследствие более интенсивного участия их в химических процессах разряжаются быстрее, а образующийся при этом сернокислый свинец закупоривает поры активной массы, уменьшая поступление свежего электролита внутрь пластин. Кроме того, кристаллы PbS04 покрывают стенки пор активной массы. Вследствие этого затрудняется использование химической энергии, запасенной во внутренних слоях активной массы пластик, и ее преобразование в электрическую энергию, что приводит к уменьшению разрядной емкости батареи. Этот фактор нужно учитывать при пуске двигателя стартером, особенно в зимнее время.

При 10-часовом режиме разряда работает около 50% активной массы пластин, а при стартерном режиме—не более 15%.

В соответствии с ГОСТ 959.0-71 при непрерывном разряде батареи ЗСТ-80 силой тока / = 0,05 С20, равной 4А, она отдает 80 А • ч, т. е. 100% номинальной емкости; при силе тока десятичасового режима, равной 7А, батарея отдает 70 А • ч, или 87,5%, а при силе тока / = 3 С20, равной 240 А, она отдает только 20 А • ч, или 25% емкости (рис. 8 и 9). Приведенные величины емкости получены при средней температуре электролита +25 °С для батареи с одинарными сепараторами.

С увеличением силы разрядного тока значительно уменьшается плотность электролита в порах активной массы положительных пластин, вследствие чего понижается э.д.с. и напряжение аккумулятора. Кроме того, напряжение понизится в результате увеличения падения напряжения внутри аккумулятора. Из-за быстрого снижения напряжения приходится преждевременно прекращать разряд батареи, и значительная часть разрядной емкости останется неиспользованной.

Во избежание образования крупных труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца разряд аккумулятора при 10-часовом режиме разряда прекращают при конечном напряжении 1,7 В; при 20-часовом режиме — 1,75 В, а при стартерном режиме разряда силой тока 3 Сго и начальной температуре электролита + 25 °С — при конечном напряжении 1,5 В и при стартерном режиме разряда силой тока 3С20 и начальной температуре электролита —18 °С — при конечном напряжении 1В.

При двойных сепараторах повышается внутреннее сопротивление батареи, вследствие чего при ее разряде быстрее снижается напряжение до допустимого предела, что вызывает необходимость более раннего прекращения разряда батареи. Применение двойных сепараторов снижает продолжительность стартер-ного разряда примерно на 10%, а следовательно, и емкость батареи уменьшается на 10%.

Большое влияние на разрядную емкость оказывает температура электролита. Номинальная емкость гарантируется при температуре электролита +25 °С.

Рис. 1. Разрядные характеристики аккумулятора емкостью 80 А-ч при различной силе разрядного тока и температуре электролита +25 °С ЗСТ-80 от силы разрядного тока при температуре электролита +25 °С

Рис. 2. Зависимость емкости аккумуляторной батареи

Рис. 3. Зависимость емкости аккумуляторной батареи ЗСТ-80 от температуры электролита при силе разрядного тока 240 А

С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры глубоких слоев активной массы пластин; при этом поверхностные слои активной массы быстрее преобразуются в PbS04 и кристаллы PbS04 закрывают поры активной массы, а поэтому химическая энергия, запасенная в глубоких слоях активной массы пластин, полностью не используется, а разрядная емкость батареи понижается. При понижении температуры электролита ниже +25 °С емкость аккумуляторной батареи при ее разряде силой тока, соответствующей 0,05. уменьшается на 1% на каждый градус понижения температуры, а при большей силе разрядного тока — на большую величину.

При увеличении температуры электролита с +25 до +45 °С емкость аккумуляторной батареи будет на 10 — 14% выше номинальной. Однако при этом возможно сильное коробление пластин, оползание активной массы и разрушение решеток положительных пластин.

Влияние понижения температуры электролита на емкость аккумуляторной батареи сильно сказывается в зимнее время при пуске двигателя стартером. Так, при разряде батареи ЗСТ-80 силой тока 240 А (3 С20) при температуре электролита +25 °С разрядная емкость батареи раьна 20 А • ч, что соответствует приблизительно 25% номинальной, а при той же силе разрядного тока, но при температуре электролита —18 °С, разрядная емкость будет равна 12 А-ч, что составляет около 15% номинальной емкости батареи.

Для получения большей величины разрядной емкости в зимнее время батарею утепляют, особенно со стороны крышек аккумуляторов, так как около 80% тепла излучается от межаккумуляторных перемычек.

Емкость аккумуляторной батареи зависит от срока службы аккумуляторов. В начале эксплуатации емкость новой батареи возрастает вследствие увеличения количества активной массы пластин, преобразующейся в перекись свинца и губчатый свинец (активная масса «разрабатывается»), но при длительной эксплуатации емкость батареи снижается из-за выпадения активной массы или ее отслаивания от решеток пластин, образования крупнокристаллического сернокислого свинца, уплотнения активной массы отрицательных пластин и по другим причинам.

Рекламные предложения:

Читать далее: Основные неисправности аккумуляторных батарей

Категория: — Электрооборудование автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Что означают проценты в меню состояния аккумулятора iPhone

Два года назад Apple признала, что намеренно замедляла работу старых iPhone, таких как iPhone 6, iPhone 6s, iPhone 7 и iPhone SE. В связи с этим еще в iOS 11.3 появилось меню, в котором можно посмотреть состояние аккумулятора айфона и узнать, нужно ли его менять. После этого нас и в Telegram-чате стали по несколько раз в день спрашивать, стоит ли менять аккумулятор, если его остаточная ёмкость составляет 80%, 70% или даже 50%. Поэтому мы решили наконец поставить точку в этом вопросе.

Многие пугаются, когда емкость аккумулятора начинает резко сокращаться

Что такое состояние аккумулятора iPhone

iOS 11.3 и более поздние версии имеют меню «Состояние аккумулятора». Просто зайдите в Настройки > Аккумулятор > Состояние аккумулятора. Здесь вы увидите информацию о максимальной емкости вашего iPhone в процентах и пиковой производительности. Вы также сможете понять, не замедляется ли ваш iPhone из-за функции управления производительностью Apple.

Потеря емкости аккумулятора даже через неделю после покупки - это нормально. Главное, чтобы она не доходила до 80%.

Что означают проценты в меню состояния аккумулятора iPhone?

В меню «Состояние аккумулятора» вы увидите процент, указывающий максимальную емкость аккумулятора вашего iPhone, а далее приводится сообщение, объясняющее состояние производительности телефона. Сообщение, которое вы увидите, зависит от процента емкости. Например:

• 100%. Ваша батарея в настоящее время поддерживает нормальную пиковую производительность.
• 95%. Этот iPhone неожиданно отключился, поскольку батарея не смогла обеспечить необходимую пиковую мощность. Было включено управление производительностью, чтобы помочь предотвратить это снова.
• 79% и меньше. Состояние вашей батареи значительно ухудшено.
• Неизвестно. Этот iPhone не может определить состояние батареи. Обычно такое сообщение появляется при установке аккумулятора плохого качества в сомнительных сервисных центрах.

iPhone с емкостью меньше 80%. Батарея уже успела вздуться

Что будет с аккумулятором iPhone 11 Pro Max через 5 месяцев

Мой iPhone 11 Pro Max 2019 года демонстрирует 99-процентную емкость аккумулятора через почти 5 месяцев после покупки. Apple пока не ограничивает мощность телефона: «Ваша батарея в настоящее время поддерживает нормальную пиковую производительность».

Что будет с аккумулятором iPhone 7 через 4 месяца

А вот сколько процентов емкости осталось у iPhone 7, который был куплен в ноябре 2019 года. Она чуть меньше, но смартфон все равно способен работать без каких-либо ограничений.

Что будет с аккумулятором iPhone 7 через 4 года

Что будет дальше? Вот для сравнения — iPhone 7, которому почти 4 года. Аккумулятор потерял всего пятую часть своей емкости.

Состояние аккумулятора iPhone X — 3 года после покупки

А вот что будет, если вообще не выпускать айфон из рук. Если добавить к этому Smart Battery Case, аккумулятор уже пришлось бы менять.

Этот айфон из рук вообще не выпускают

Как видите, емкость аккумулятора может снижаться неравномерно. То есть она вполне может упасть до 98% через неделю после покупки, держаться на этом уровне некоторое время, а потом сократиться до 94%. Все зависит от факторов, приведенных ниже. Если использовать только оригинальные зарядки и пользоваться смартфоном в обычном режиме, проблем быть не должно, и емкость аккумулятора будет уменьшаться более-менее равномерно. Например, через один год «уйдет» 5% емкости, на второй год — еще 10%. И это норма.

Как отключить управление производительностью аккумулятора iPhone

По достижении батареей емкости 80% и ниже могут начать возникать проблемы с производительностью из-за того, что смартфон будет принудительно урезать мощность процессора, чтобы минимизировать скачки напряжения и не провоцировать самопроизвольных перезагрузок. Вы также увидите другое сообщение в нижней части экрана, которое предупреждает, что батарея вашего iPhone «значительно разряжена». Будет еще одна ссылка, которая укажет вам ссылку на страницу о том, как обслуживать ваш телефон.

Если ваше устройство отключилось из-за разряда батареи, на этом же экране будет указано, что «было применено управление производительностью». Также будет возможность отключить данную функцию. Учтите, что вы не можете включить снова управление производительностью до следующего выключения смартфона. Ваш iPhone автоматически включит ее, если это когда-нибудь произойдет. Функция управления производительностью доступна только на iPhone, начиная с модели 6s, а потому искать её на более ранних аппаратах бесполезно.

Что влияет на состояние аккумулятора айфона

Некоторые могут заметить, что у iPhone быстро уменьшается остаточная емкость батареи. От чего это зависит? Причин может быть несколько:

• Зарядка неоригинальным адаптером, что приводит к большему износу.
• Использование iPhone на пиковой мощности (если все время играть в него и совсем не выпускать из рук). Игры, монтаж и просмотр видео по LTE являются довольно ресурсоёмкими процессами, способными провоцировать повышенный расход энергии.
• Зарядка телефона в машине или с помощью беспроводного устройства без сертификации Apple.

Использование Smart Battery Case тоже влияет на емкость аккумулятора iPhone

Почему старые iPhone работают медленнее?

Почему вообще мы получили такое меню? По словам Apple, у нее не было цели вынудить клиентов приобрести новую модель. Просто со временем литий-ионные аккумуляторы постепенно утрачивают способность накапливать энергию и работать в условиях низких температур, что, в свою очередь, может приводить к самопроизвольному отключению смартфона для защиты аппаратного обеспечения. Функция на самом деле полезная, но раньше Apple не предлагала никакого альтернативного варианта, и многие владельцы iPhone страдали от этого. В некотором смысле это была «защита от дурака» — чтобы пользователь не перегружал свой айфон, если аккумулятор уже работает на последнем издыхании (олды вспомнят, чем это закончилось для Galaxy Note 7).

По теме: Apple согласилась выплатить 500 миллионов долларов за замедление старых iPhone

Когда менять аккумулятор айфона

Стандартный литий-ионный аккумулятор, которым комплектуются все iPhone независимо от модели, рассчитан на сохранение 80% ёмкости после 500 полных циклов зарядки. По словам специалистов Apple, при достижении данного значения аккумулятор подлежит замене.

По сути бить тревогу нужно лишь в одном случае — если максимальная емкость аккумулятора вплотную приблизилась к 80%. Во всех остальных продолжайте спокойно пользоваться своим айфоном и не донимайте всех вопросами «а почему емкость упала до 98% за неделю». Это нормально.

Что может убить аккумулятор iPhone?

Аккумулятор iPhone часто называют ахиллесовой пятой яблочных смартфонов. Но на практике оказывается, что причина снижения емкости батареи кроется в неправильной эксплуатации. И хотя на сайте Apple даны подробные советы, как правильно заряжать iPhone, следуют им далеко не все пользователи. Давайте вместе разбираться, какие подводные камни могут быть в этом вопросе и как не довести свой гаджет до перманентного снижения емкости батареи.

Сколько живет аккумулятор iPhone?

На самом деле аккумуляторные батареи имеют вполне определенный эксплуатационный срок – 500 циклов заряда-разряда (важно понимать, что такое количество циклов и даже больше аккумулятор прослужит только при нормальной эксплуатации).

После 500 циклов перезаряда емкость аккумулятора iPhone как правило падает до 80%. iPad выдерживает вдвое больше – 1000 циклов.

Вряд ли кто-то помнит точно, сколько раз ставил свой гаджет на зарядку, поэтому существуют специальные программы, с помощью которых можно узнать количество циклов зарядки-разрядки батареи вашего устройства.

Если у вас есть Мас, то батарею можно протестировать с помощью программы coconutBattery. На данный момент приложение в AppStore стоит около 2 долларов. После того, как приложение установлено, в верхнем правом углу экрана необходимо выбрать иконку iOS Device, а затем уже найти строку Loadcycles, где и будет отображаться количество циклов заряда батареи.

Если же из яблочных гаджетов вы располагаете только самим iPhone, то можно установить бесплатное приложение Battery Life. В разделе Raw Data программа покажет количество циклов батареи, текущую емкость и расход заряда в mA/час.

Калибровка, раскачка и рефреш батареи

Суть всех этих процедур одна – повторение цикла полного разряда и последующего заряда аккумулятора iPhone для продления срока эксплуатации аккумулятора.

Изначально раскачку батареи советуют делать на только что купленном iPhone. В Apple в таком случае рекомендуют разрядить батарею полностью до отключения телефона. Затем аппарат нужно зарядить на 100%. Процедуру разряда до нуля и полной зарядки необходимо повторить 3 раза (кто-то рекомендует даже 5 раз).

Во время таких повторяющихся полных циклов аккумулятор «раскачивается», то есть набирает полную емкость, соответствующую техническим характеристикам.

По заверениям производителей эта процедура исключительно важна для литинум-полимерных батарей – она существенно укрепляет их «здоровье» и позволит прослужить дольше.

После раскачки батарею можно заряжать вне зависимости от уровня оставшегося заряда. Однако в процессе эксплуатации в качестве профилактики можно делать так называемый рефреш батареи. То есть снова пройти полный цикл разряда и заряда устройства.

Когда же рекомендовано делать калибровку и чем она отличается от раскачки? Лишь чуть большим количеством манипуляций с гаджетом. А нужна эта процедура в том случае, если со временем аппарат начинает показывать на дисплее емкость батареи, не соответствующую действительности. Это, как правило, происходит с увеличением количества рабочих циклов зарядки-разрядки, особенно если они были короткими.

Для того, чтобы провести калибровку батареи вручную, необходимо выключить и включить устройство, а затем проделать следующие действия:
Шаг 1: Полностью разрядить аккумулятор iPhone. Устройство должно самостоятельно выключиться вследствие полного исчерпания заряда.
Шаг 2: Зарядить аккумулятор iPhone и iPad на 100%. При этом делать это нужно, подключив устройство к штатному блоку питания.
Шаг 3: Когда индикатор заряда покажет 100%, оставить аппарат подключенным к сети еще на один час.
Шаг 4: Отключить iPhone или iPad от адаптера. Пользоваться гаджетом как обычно, но разрядить его нужно снова полного выключения. В это время нельзя подключать устройство к адаптеру.
Шаг 5: Повторить шаг 2 и шаг 3 – полностью зарядить аккумулятор и еще час не отключать смартфон/планшет от розетки.

Такая процедура должна привести батарею в тонус. А данные на дисплее после калибровки будут совпадать с реальными показателями емкости.

Что убивает аккумулятор iPhone?

1). Зарядка через USB-порт не подключенного к сети либо находящегося в режиме ожидания ноутбука.

Оказывается, в таком случае ноутбук не то что не заряжает, а нещадно сажает батарею iPhone. Причем это указано на официальном сайте Apple.

2). Нахождение на жаре или в холоде. И особенно зарядка при экстремальных температурах.

Согласно сайту Apple, оптимальный диапазон температур для iPhone составляет от 0 до 35 градусов Цельсия. Если телефон долго пролежит на жаре, есть риск не просто быстрого разряда аккумулятора, но перманентного снижения его емкости. То есть батарея вашего гаджета разрядится навсегда. И вылечить это можно будет только заменой аккумулятора. Нахождение на холоде чуть менее опасно: телефон быстро разрядится, но, по крайней мере, не навечно. То есть при возвращении в комфортную температуру уровень заряда можно будет восстановить.

Кстати, технические специалисты из ремонтных сервисов рекомендуют ориентироваться не на заявленный на сайте Apple диапазон температур, а на границу 16 до 22 °C. По их мнению, именно такие температуры идеальны для эксплуатации iPhone.

Так что пребывание с iPhone на морском берегу под лучами солнца, когда 30 градусов тени, может просто напросто убить его аккумулятор.

В сервисах такие батареи называют «беременными», потому что от перегрева они просто напросто вздуваются. И охлаждение уже не поможет. Аккумулятор остынет, но деформация останется, а емкость перманентно снизится.

Визуально определить такое повреждение можно, посмотрев на дисплей под лучами света. Если батарея гаджета «беременна», то будет заметна выпуклость, поскольку аккумулятор давит на дисплей.

3). Зарядка iPhone в чехле

Некоторые чехлы также могут способствовать перегреву аккумулятора.

4). Регулярная разрядка до нуля и зарядка на 100%

Процедура эта полезна только при начале эксплуатации батареи, а также в случае калибровки. А вот если повторять ее каждый день, то она напротив способна нанести вред. Если хранить устройство полностью разряженным, аккумулятор iPhone может перейти в состояние глубокой разрядки и утратить способность держать заряд.

Если же хранить устройство полностью заряженным, это может привести к снижению ёмкости аккумулятора и сокращению срока его службы.

В ежедневном использовании оптимально заряжать аккумулятор примерно на 50-60%.

5). Неправильная зарядка

Оказывается, аккумуляторы iPhone крайне чувствительны к напряжению заряда. Изменение напряжения всего лишь на 4% способно вдвое уменьшить емкость аккумулятора. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. То есть блок зарядного устройства определяет вольтаж батареи и корректирует выдаваемое на батарею напряжение для заряда. С одной оговоркой – оригинальный блок. А вот китайские, а также автомобильные зарядки этого не умеют. Так что лучше не экспериментировать. Если же без автомобильной зарядки вы совсем обойтись не можете, то настоятельно рекомендуется ограничить ее использование хотя бы в момент запуска двигателя автомобиля, когда напряжение может скакать особенно сильно.

Когда следует задуматься о замене аккумулятора iPhone?

• Когда количество циклов зарядки-разрядки превысило 500
• Когда iPhone самопроизвольно выключается при морозе
• Когда вы заметили, что аккумулятор вздут
• Когда заряда батареи перестало хватать и на пол дня

Надеемся, что эти простые рекомендации помогут аккумулятору вашего iPhone прослужить как можно дольше.

Замена АКБ: от чего зависит емкость аккумулятора автомобиля и когда его менять?

К сожалению, многие автовладельцы сталкивались с проблемами, связанными с отказами в работе батареи. Особенно неприятны такие моменты в зимнюю пору, когда низкие температуры затрудняют пуск двигателя. Поэтому замена АКБ через 2-3 года довольно частое явление, но каков реальный срок службы прибора? Попробуем разобраться.

Факторы или через сколько нужно менять штатный аккумулятор в машине по науке?

Любая батарея способна отработать без проблем 5-7 лет, но только при условии отсутствия брака, внутренних дефектов и соблюдения следующих условий:

1. исправный реле-регулятор и генератор;
2. отсутствие повышенного напряжения;
3. недопущение глубокого разряда.

Эти же условия составляют энергетическую базу, от чего зависит емкость аккумулятора автомобиля и, конечно же, срок его службы. Причем эксперты уверяют, что повышенное напряжение заряда наиболее негативно влияет на исправность АКБ – снижается уровень электролита и испаряется вода. Это может случиться независимо от времени года, а обнаружить момент, когда напряжение в бортовой сети поднялось до 15 V сейчас непросто – вольтметр не входит в комплектацию большинства авто. Тем не менее повышенный вольтаж способен за месяц вывести батарею из строя.

Глубокий разряд крайне опасен для аккумуляторных секций, которые эксплуатируются более одного года. Новым изделиям такая процедура не страшна – дополнительная зарядка способна полностью восстановить параметры. Но как бы там ни было, профилактические подзарядки, особенно в зимний период при городском режиме передвижений, необходимы. Чтобы вопрос, через сколько нужно менять аккумулятор в машине, не возникал ранее положенного времени, а, следовательно, существенно продлить срок службы АКБ, достаточно придерживаться простых правил:

• при запуске холодного мотора не включать мощные потребители (обогрев сидений и заднего стекла, фары и т.п.), в противном случае батарея не получит зарядку нужного уровня;
• использовать качественное синтетическое моторное масло;
• через несколько минут после пуска ДВС начинать движение на 1-2 передаче, это способствует эффективному прогреву мотора и активной зарядке батареи.

Как показывает практика эксплуатации легковых автомобилей в средней полосе России, к замене АКБ следует готовиться после трех-четырех лет регулярного ее использования. Особенно яркими признаками, указывающими на необходимость данной процедуры, можно назвать:

• Присутствие серного запаха.
• Падение напряжения на клеммах АКБ ниже 11V.
• Нехватка энергии для вращения стартера даже первые 3-5 секунд.
• Падение плотности электролита во всех ниже 1,11.
• Саморазряд с повышением плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см³.

Наиболее точное состояние батареи характеризуется емкостными параметрами. В среде специалистов принято, что 40% от заявленной заводской цифры, говорят о необходимости замены.

Важно: от чего зависит емкость штатного аккумулятора автомобиля?

Эта важная характеристика указывает на то, как долго АКБ может обеспечивать питание подключенной к нему нагрузки, измеряется в ампер-часах. Следует помнить, что на этикетке указано номинальное емкостное значение, реальная цифра может меняться в пределах от 70 до 110%.

Чтобы понять, через сколько нужно менять свинцовый аккумулятор в машине, достаточно разобрать теоретическое значение емкости. Например, батарея на 100 А/ч способна отдавать электрический ток в следующих пределах:

• 100 А – в течение 1 часа;
• 10 А – в течение 10 часов;
• 1 А – в течение 100 часов.

Разрядная (номинальная) емкость имеет прямую зависимость от технологических и конструктивных особенностей, а также эксплуатационных условий.

• К основным технологическим параметрам относятся химическая составляющая активных компонентов батареи и их пористость.
• Главными конструктивными особенностями являются объем активной массы и электролита, а также размеры электродов.
• Эксплуатационные характеристики выражаются температурой электролитического состава и силой разрядного тока.

Обобщенным коэффициентом, который указывает на эффективность АКБ, является индекс использования ее активных составляющих. Степень использования этих материалов, а стало быть, и величина номинальной емкости зависит от следующих факторов:

• Толщина электродов. С уменьшением размеров снижается неравномерность нагруженности активной массы электродов и как следствие – увеличение разрядной емкости.
• Пористость активной массы. Чем выше этот показатель, тем лучше протекает токообразующий процесс. Однако чрезмерное повышение пористости влечет сокращение срока службы, поэтому производители считают оптимальным этот показатель в пределах 45-60%.
• Пористость материала сепаратора и его конструкция. Чем выше ребра сепараторов и их пористость, тем больше запас электролита и лучшие условия для его диффузии.
• Плотность электролита. Первое, от чего зависит номинальная емкость аккумулятора автомобиля – оптимальная плотность, которая подбирается в соответствии с требованиями и условиями. Например, батареи, работающие в умеренном климате, должны иметь рабочую плотность электролита 1,26 — 1,28 г/см³, а в местности с тропической средой – 1,22 — 1,24 г/см³.
• Сила разрядного тока. Чем выше его показатели, тем меньше емкость АКБ. При прерывистых стартерных разрядах с небольшими перерывами батарея теряет больший емкостной потенциал, чем при непрерывном разряде током такой же величины.
• Температура электролита. С ее понижением емкость уменьшается в связи с увеличением вязкости и электрического сопротивления электролита.
• Степень заряженности. Емкостные характеристики АКБ растут пропорционально уровню ее заряженности и достигают максимальных значений при полной зарядке.

Практика: как проверить емкость свинцового аккумулятора автомобиля самостоятельно?

Традиционный способ тестирования – это контрольный разряд заряженной батареи с фиксацией времени до конечного напряжения разряда, которое обычно равно 10,5 V. Разрядный ток выбирают такой величины, чтобы время разряда соответствовало 10-20 часам. Затем остаточное значение емкостной составляющей определяют по формуле:

Е [А*час]= I [А] * T [час]

Получив результат, у нас появляется возможность сравнить его с номинальным значением батареи. Если остаточная емкость составляет менее чем 70%, то АКБ выводится из эксплуатации. Перед тем как проверить емкость аккумулятора автомобиля таким способом, нужно учесть его недостатки:

1. Трудоемкость.
2. Длительный срок проверки.

Как вариант, можно воспользоваться еще одним несложным способом, который к тому же позволит сократить время работ.

Альтернативный метод

Метод доступен в гаражных условиях и вполне реализуем своими силами. Для измерений понадобятся мультиметр и нагрузка, которая подбирается из расчета, чтобы она забирала где-то половину заявленного тока заряженной батареи. Проверка проводится по следующей схеме:

• подсоединить нагрузку к АКБ и подождать около 2-3 минут;
• не отключая нагрузки, измерить прибором напряжение на клеммах аккумулятора;
• если напряжение более чем 12,6 V, то батарея считается исправной и годной к эксплуатации;
• показания в пределах 12 — 12,6 V указывают на то, что емкость уже находится далеко не на подобающем уровне; эксплуатация такой АКБ возможна, но желательна скорейшая ее замена;
• если прибор показывает менее 12 V, то батарея нуждается в срочной замене – она уже потеряла более 50% своего емкостного потенциала.

Существенно облегчит задачу наличие нагрузочной вилки, которую можно приобрести в автомагазине. Прибор поставляется в комплекте со встроенным вольтметром и набором нагрузок. Еще проще провести контрольные замеры при помощи специальных тестеров, но их приобретение вряд ли можно назвать рациональным, поскольку они недешевы. Но их наличие на специализированных СТО обязательно, поэтому как вариант – посетить сервис.

Итоги

Срок службы АКБ определяется исходя из эксплуатационных условий машины. Автолюбители, которые интересуются, через сколько нужно менять свинцовый аккумулятор в машине, должны знать о необходимости его периодической подзарядки, особенно в зимний период. При активной езде в жарких климатических условиях нужно тщательно следить за уровнем электролита и его плотностью, а в случае необходимости доливать.

Важным условием надежного функционирования является контроль емкости. Быстро и эффективно это можно сделать при помощи нагрузочной вилки. Если показания вольтметра при этом находятся на уровне не ниже 13,5 V, то аккумулятор считается полностью исправным. Цифры в пределах 11,5 — 11,8 V говорят о необходимости замены источника электротока на автомобиле.

Только при выполнении этих условий батарея будет исправно работать весь срок службы – 3-4 года. При покупке АКБ стоит обратить внимание на дату изготовления и не брать изделие, которому уже более полугода.

Емкость аккумуляторов

Знание закономерности зависимости емкости аккумулятора от различных параметров, таких как ток разряда или температуры эксплуатации, позволяет рассчитать необходимую емкость и определить тип аккумуляторов на любом автономном мощном потребителе электричества (электромобиль, ретранслятор и пр.). При вычислении емкость аккумулятора представляет собой произведение тока разряда аккумулятора на время в часах до полной разрядки аккумулятора. Под полной разрядкой в этом случа подразумевается достижение минимального допустимого конечного напряжения, установленного производителем. При этом не рассматривается дальнейший — глубокий разряд аккумулятора — при котором аккумулятор может выйти из строя.. На практике ток постоянно меняется, поэтому можно говорить только об усреднённом значении емкости при усредненной (псевдо-постоянной) нагрузке. Кроме того емкость аккумулятора ЗАВИСИТ от тока разряда, сильно зависит. Для примера 12 вольтовый аккумулятор , которые выдаёт номинальную ёмкость при разряде за 20 часов, в случае серьезного увеличения силы тока и разряде за 15 минут — выдаст менее половины номинальной ёмкости. А при разряде меньшими токами емкость может быть выше номинальной. Часто это отражено в паспортной документации для дорогостоящих аккумуляторов. При использовании обычных «бюджетных» аккумуляторов, особенно маломощных, приходится работать с неполной ёмкостью. Так как для большинства аккумуляторов рассчетная мощность дана из условичя 20-тичасовой разрядки, а в реальных условиях мы часто сталкиваемся с более быстрой разрядкой (видеоплеер, ноутбук, электромобиль). Причина уменьшения ёмкости при увеличении тока разряда связана с тем, что внутри аккумулятора ток течет благодаря ионной проводимости. Ведь процесс переноса ионов внутри пластин аккумулятора и преодоление ими фазового раздела поверхность электрода/электролит происходит достаточно медленно. При быстром разряде часть ионов не успевает выйти из электрода в электролит (или войти из электролита в электрод) за время разряда, что ограничивает выдаваемую аккумулятором емкость. Более простым языком — аккумулятор выдает часть емкости и «отыгрывает» отданную ёмкость за счет внутреннего резерва. При быстрой разрядке аккумулятор не успевает отыграть отданную ёмкость. Если же дать аккумулятору отдохнуть — он выдаст ещё небольшую часть мощности — это количество тем больше, чем больший ток разряда был использован, это используется при использовании тяговых аккумуляторов (с большим током разряда), если электромобиль встал из-за разрядки аккумулятора — то можно остановиться, подождать некоторое время и исопльзовать накопившуюся энергию с малой мощностью, чтобы добраться до места зарядки. n * T где Cp – емкость Пекерта (1.1-1.35 — зависит аккумулятора), n – экспонента Пекерта (чем больше n, тем меньше способность аккумулятора отдавать полную емкость при повышенной нагрузке). Учитывая что ток постоянно меняется, наличие длительных перерывов в работе аккумулятора и изменение константных значений емкости и экспоненты Пекерта (старение аккумулятора) необходимо постоянно пересчитывать значения для получения адекватных данных. Особенно эффект заметен на примере «цифрового эффекта памяти» в литий-ионных батареях для ноутбуков – при эксплуатации в условиях частичного заряда/разряда отмечается постепенное уменьшение времени работы от аккумуляторной батареи, из-за несоответствия оставшейся емкости, рассчитанной системой управления батареей, реальной. Эффект «цифровой памяти» нивелируется полным зарядом с последующим полным разрядом аккумулятора раз в 30-50 циклов (ноутбуки лучше всего разряжать при входе в настройки BIOS, после отключения из-за разряда аккумулятора сразу же зарядить).

Что означают проценты в меню состояния аккумулятора iPhone

Несколько лет назад Apple признала, что намеренно замедляла работу старых iPhone, таких как iPhone 6, iPhone 6s, iPhone 7 и iPhone SE. В связи с этим еще в iOS 11.3 появилось меню, в котором можно посмотреть состояние аккумулятора айфона и узнать, нужно ли его менять. После этого нас стали по несколько раз в день спрашивать, стоит ли менять аккумулятор, если его остаточная ёмкость составляет 80%, 70% или даже 50%. Поэтому мы решили наконец поставить точку в этом вопросе.

Что такое состояние аккумулятора iPhone

iOS 11.3 и более поздние версии имеют меню «Состояние аккумулятора». Просто зайдите в Настройки > Аккумулятор > Состояние аккумулятора. Здесь вы увидите информацию о максимальной емкости вашего iPhone в процентах и пиковой производительности. Вы также сможете понять, не замедляется ли ваш iPhone из-за функции управления производительностью Apple.

Потеря емкости аккумулятора даже через неделю после покупки — это нормально. Главное, чтобы она не доходила до 80%.

Что означают проценты в меню состояния аккумулятора iPhone?

В меню «Состояние аккумулятора» вы увидите процент, указывающий максимальную емкость аккумулятора вашего iPhone, а далее приводится сообщение, объясняющее состояние производительности телефона. Сообщение, которое вы увидите, зависит от процента емкости. Например:

• 100%. Ваша батарея в настоящее время поддерживает нормальную пиковую производительность.
• 95%. Этот iPhone неожиданно отключился, поскольку батарея не смогла обеспечить необходимую пиковую мощность. Было включено управление производительностью, чтобы помочь предотвратить это снова.
• 79% и меньше. Состояние вашей батареи значительно ухудшено.
• Неизвестно. Этот iPhone не может определить состояние батареи. Обычно такое сообщение появляется при установке аккумулятора плохого качества в сомнительных сервисных центрах.

Что будет с аккумулятором iPhone 11 Pro Max через 5 месяцев

Мой iPhone 11 Pro Max 2019 года демонстрирует 99-процентную емкость аккумулятора через почти 5 месяцев после покупки. Apple пока не ограничивает мощность телефона: «Ваша батарея в настоящее время поддерживает нормальную пиковую производительность».

Что будет с аккумулятором iPhone 7 через 4 месяца

А вот сколько процентов емкости осталось у iPhone 7, который был куплен в ноябре 2019 года. Она чуть меньше, но смартфон все равно способен работать без каких-либо ограничений.

Что будет с аккумулятором iPhone 7 через 4 года

Что будет дальше? Вот для сравнения — iPhone 7, которому почти 4 года. Аккумулятор потерял всего пятую часть своей емкости.

Состояние аккумулятора iPhone X — 3 года после покупки

А вот что будет, если вообще не выпускать айфон из рук. Если добавить к этому Smart Battery Case, аккумулятор уже пришлось бы менять.

Как видите, емкость аккумулятора может снижаться неравномерно. То есть она вполне может упасть до 98% через неделю после покупки, держаться на этом уровне некоторое время, а потом сократиться до 94%. Все зависит от факторов, приведенных ниже. Если использовать только оригинальные зарядки и пользоваться смартфоном в обычном режиме, проблем быть не должно, и емкость аккумулятора будет уменьшаться более-менее равномерно. Например, через один год «уйдет» 5% емкости, на второй год — еще 10%. И это норма.

Как отключить управление производительностью аккумулятора iPhone

По достижении батареей емкости 80% и ниже могут начать возникать проблемы с производительностью из-за того, что смартфон будет принудительно урезать мощность процессора, чтобы минимизировать скачки напряжения и не провоцировать самопроизвольных перезагрузок. Вы также увидите другое сообщение в нижней части экрана, которое предупреждает, что батарея вашего iPhone «значительно разряжена». Будет еще одна ссылка, которая укажет вам ссылку на страницу о том, как обслуживать ваш телефон.
Если ваше устройство отключилось из-за разряда батареи, на этом же экране будет указано, что «было применено управление производительностью». Также будет возможность отключить данную функцию. Учтите, что вы не можете включить снова управление производительностью до следующего выключения смартфона. Ваш iPhone автоматически включит ее, если это когда-нибудь произойдет. Функция управления производительностью доступна только на iPhone, начиная с модели 6s, а потому искать её на более ранних аппаратах бесполезно.

Что влияет на состояние аккумулятора айфона

Некоторые могут заметить, что у iPhone быстро уменьшается остаточная емкость батареи. От чего это зависит? Причин может быть несколько:

• Зарядка неоригинальным адаптером, что приводит к большему износу.
• Использование iPhone на пиковой мощности (если все время играть в него и совсем не выпускать из рук). Игры, монтаж и просмотр видео по LTE являются довольно ресурсоёмкими процессами, способными провоцировать повышенный расход энергии.
• Зарядка телефона в машине или с помощью беспроводного устройства без сертификации Apple.

Почему старые iPhone работают медленнее?

Почему вообще мы получили такое меню? По словам Apple, у нее не было цели вынудить клиентов приобрести новую модель. Просто со временем литий-ионные аккумуляторы постепенно утрачивают способность накапливать энергию и работать в условиях низких температур, что, в свою очередь, может приводить к самопроизвольному отключению смартфона для защиты аппаратного обеспечения. Функция на самом деле полезная, но раньше Apple не предлагала никакого альтернативного варианта, и многие владельцы iPhone страдали от этого. В некотором смысле это была «защита от дурака» — чтобы пользователь не перегружал свой айфон, если аккумулятор уже работает на последнем издыхании (олды вспомнят, чем это закончилось для Galaxy Note 7).

Когда менять аккумулятор айфона

Стандартный литий-ионный аккумулятор, которым комплектуются все iPhone независимо от модели, рассчитан на сохранение 80% ёмкости после 500 полных циклов зарядки. По словам специалистов Apple, при достижении данного значения аккумулятор подлежит замене.

По сути бить тревогу нужно лишь в одном случае — если максимальная емкость аккумулятора вплотную приблизилась к 80%. Во всех остальных продолжайте спокойно пользоваться своим айфоном и не донимайте всех вопросами «а почему емкость упала до 98% за неделю». Это нормально.

Метод, основанный на визуальном познании

Это исследование вводит визуальное познание в оценку емкости литий-ионной батареи. Предлагаемый метод состоит из четырех шагов. Во-первых, полученные данные зарядного тока или напряжения разряда в каждом цикле скомпонованы так, чтобы сформировать двумерное изображение. Во-вторых, сгенерированное изображение раскладывается на несколько пространственно-частотных каналов с набором поддиапазонов ориентации с использованием неподдискретизированного контурного преобразования (NSCT). NSCT имитирует многоканальную характеристику зрительной системы человека (HVS), которая обеспечивает мультиразрешение, локализацию, направленность и инвариантность сдвига. В-третьих, несколько индикаторов временной области коэффициентов NSCT извлекаются для формирования исходного многомерного вектора признаков. Точно так же, вдохновленный характеристикой восприятия коллектора HVS, метод обучения многообразия лапласовских собственных карт, который, как считается, раскрывает эволюционный закон ухудшения характеристик батареи в низкоразмерном внутреннем многообразии, используется для дальнейшего получения низкоразмерного вектора признаков. Наконец, деградация емкости батареи оценивается с использованием геодезического расстояния на коллекторе между начальными и самыми последними объектами.Проверочные эксперименты проводились с использованием данных, полученных при различных условиях эксплуатации и старения. Результаты показывают, что предлагаемый подход к визуальному познанию обеспечивает высокоточные средства оценки емкости батареи и, таким образом, предлагает многообещающий метод, заимствованный из развивающейся области когнитивных вычислений.

1.

Введение

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, отличающиеся высокой плотностью энергии и малым весом, становятся все более популярными для различных приложений, особенно в области авиакосмической техники и электромобилей [1–3] .Таким образом, большинство существующих исследований сосредоточено на способах улучшения характеристик литий-ионных аккумуляторов. Емкость батареи, которая считается важным показателем производительности батареи, сильно зависит от различных внутренних и внешних механизмов, таких как температура окружающей среды, старение и особенности использования; Эти факторы приводят к постепенному снижению производительности аккумулятора с течением времени. Следовательно, доступная емкость батареи должна быть точно оценена в целях надежности и для правильного управления использованием батареи [4].

Недавние исследования сообщили о различных подходах к оценке емкости литий-ионных аккумуляторов. Большинство существующих подходов основаны на модельных методах, включая электрохимические [5], основанные на эквивалентных схемах [6] и аналитические [7, 8] модели. Эти модели в основном основаны на сложных физических и химических процессах, которые учитывают динамическое поведение батарей [9–11], и эффективность оценки сильно зависит от точности моделей. В частности, эти типы моделей обычно трудно создать из-за ограничений на получение знаний об электрохимических параметрах, механизмах старения и свойствах батарей [12].Более того, эти модели индивидуально зависят от конкретного типа батареи с точки зрения производственных процессов, электролитов, материалов анода и катода. Методы на основе состояния заряда (SOC–) напряжения холостого хода (OCV–) для оценки внутрицикловой емкости широко применяются во многих реальных приложениях [13, 14]. Однако методы на основе SOC – OCV ​​полагаются на точные значения SOC и OCV, получение которых обычно требует значительных затрат времени [10, 15]. Независимо от того, какие методы моделирования используются для моделирования состояния аккумулятора, полученные в лаборатории характеристики заряда и разряда аккумулятора при различных условиях эксплуатации являются источником знаний о поведении аккумулятора. В некоторых приложениях эти исходные данные, хранящиеся в виде дискретных значений, используются для создания базы данных таблицы поиска по состоянию заряда основной батареи. Однако при использовании такого метода оценки емкости литий-ионных аккумуляторов необходимо проводить ряд экспериментов в различных рабочих условиях в течение всего срока службы, чтобы получить емкости аккумуляторов в различных состояниях жизни при разных условиях эксплуатации. В противном случае метод на основе базы данных будет иметь низкую точность с приблизительной базой данных.Тао и др. [16] предложили метод оценки емкости литий-ионного аккумулятора, основанный на распознавании сходства кривых онлайн-данных, который можно рассматривать как интеллектуальный метод, основанный на базе данных. Несмотря на то, что этот метод обеспечивает высокую точность, требуется много времени на поиск наиболее похожей кривой данных, содержащейся в базе данных, что ограничивает его реальное применение.

Новый геометрический метод был предложен в [17]; этот метод отличается от вышеупомянутых и, по-видимому, является расширением традиционного метода постоянного тока и постоянного напряжения [18]. Он оценивает емкость батареи путем объединения дифференциальной геометрии и четырех геометрических характеристик, которые чувствительны к уменьшению емкости. Четыре геометрические характеристики извлекаются из кривых зарядного тока (CC) и напряжения разряда (DV), включая продолжительность кривой постоянного напряжения (CV), максимальный радиус кривизны ступени CV, площадь под кривой CV и наклон кривой напряжения на ранней стадии процесса разряда. Экспериментальные результаты, представленные в их статье, демонстрируют эффективность геометрического метода.

Суть метода, основанного на геометрии, направлена ​​на введение теории дифференциальной геометрии и традиционных геометрических характеристик в оценку емкости батареи. Вдохновленные работой [17], мы пытаемся внедрить другие передовые междисциплинарные методы оценки емкости батареи, избегая сложного анализа физико-химических процессов и достигая точного понимания процессов деградации, тем самым дополнительно повышая эффективность и точность батареи. оценка мощности.

Когнитивная наука — это междисциплинарное исследование, состоящее из нескольких научных дисциплин, включая психологию, искусственный интеллект, философию, нейробиологию, лингвистику и антропологию. Он включает исследования интеллекта и поведения, особенно с акцентом на то, как информация представляется, обрабатывается и трансформируется в нервных системах и машинах [19]. Когнитивная наука — это обширная область, охватывающая широкий спектр тем, касающихся познания, таких как обработка речи, искусственный интеллект, а также зрительное и слуховое познание.Среди этих тем визуальное познание стало в центре внимания многих исследований когнитивной науки и становится важной темой, вызывающей интерес в двадцать первом веке [20]. В последние годы страны по всему миру вложили значительные средства в поддержку исследований в области визуального познания. В США Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны в 2007 году запустило специальную исследовательскую программу под названием «Когнитивные вычисления», в рамках которой визуальное познание является ключевой целью исследования. В Японии эксперты в области компьютерного зрения были включены в «План развития мозга» за последнее десятилетие для содействия междисциплинарным исследованиям когнитивной науки о мозге и визуального познания.Комитет Национального фонда естественных наук Китая в 2008 году инициировал крупный исследовательский проект под названием «Когнитивные вычисления, основанные на визуальной и слуховой информации»; его цель — создать новый вычислительный метод, основанный на человеческих зрительных и слуховых когнитивных механизмах, тем самым обеспечивая новые идеи для понимания изображений и обработки голоса. Сегодня вычислительные методы, основанные на визуальном познании, получили большое внимание и широко используются в распознавании лиц [21], слиянии изображений [22], классификации текстур [23] и т. Д.Однако в области оценки емкости литий-ионных аккумуляторов редко сообщалось о методах, основанных на визуальном восприятии. Руководствуясь этим, мы пытаемся преобразовать значения CC и DV в двумерное изображение и, таким образом, дополнительно улучшить оценку емкости батареи с помощью метода визуального познания.

По сути, визуальное познание — это разновидность бионической науки; то есть он имеет дело с распознаванием объектов на основе характеристик зрительной системы человека (HVS). Одной из хорошо известных характеристик HVS является многоканальная характеристика (MCC), означающая, что существует несколько пространственно-частотных каналов при обработке графической информации в HVS, каждый из которых дополнительно включает разное количество компонентов ориентации в зависимости от предопределенная установка серии [24].В этом исследовании авторы используют MCC для извлечения информации об особенностях деградации из данных CC и DV, что является ядром этого исследования, а также отличием нашего метода от других существующих методов, включая метод [17]. Другой отмеченной характеристикой HVS является характеристика обнаружения коллектора (MSC). В 2000 году в статьях, опубликованных в журнале Science , было указано, что визуальная информация хранится в виде множества стабильных паттернов нейронной активности в мозгу, а разнообразные методы обучения могут идентифицировать значимые низкоразмерные структуры в многомерных данных [25–27]. .Таким образом, в этом исследовании используется обучение многообразию для построения низкоразмерного внутреннего многообразия, которое может не только выявить закон деградации емкости, который содержится в извлеченных функциях, но и сократить требуемые вычисления. Таким образом, это исследование пытается ввести визуальное восприятие в оценку емкости литий-ионных аккумуляторов, чтобы установить систематический метод оценки емкости на основе MCC и MSC.

Эта статья организована следующим образом: Раздел 2 описывает два интересующих свойства HVS, а именно MCC и MSC, а также соответствующие вычислительные методы, производные от них, в первую очередь NSCT и собственную карту лапласа (LE).Также вводится геодезическое расстояние, которое используется при оценке емкости аккумулятора. В разделе 3 представлен весь метод оценки емкости батареи на основе визуального восприятия, включая описание экспериментальных данных, преобразование изображения, выделение признаков и расчет емкости. Типичные данные из наборов данных о батареях НАСА используются для проверки предлагаемого метода; результаты представлены в Разделе 4. Наконец, Раздел 5 завершает статью.

2. Связанные теории

2.1. ЦУП ГВС и НСКТ

2.1.1. MCC и Contourlet Transform

HVS — важнейший инструмент, с помощью которого люди понимают и постигают мир природы. Было подтверждено, что HVS обладает способностью захватывать важную информацию о естественной сцене, используя минимальное количество активных зрительных ячеек [28]. Рецептивные поля в зрительной коре соответственно характеризуются как локализованные, ориентированные и пропускающие полосу пропускания [29]. Поэтому предлагается, чтобы представление изображения было эффективным, оно должно обладать такими свойствами, как локальность, направленность и мультиразрешение.

Контурлетное преобразование (CT), предложенное До и Веттерли [28], хорошо соответствует MCC HVS. Он состоит из лапласовской пирамиды (LP) и банка направленных фильтров (DFB), где LP используется для захвата точечных разрывов, а DFB используется для связывания точечных разрывов с линейными структурами. КТ обеспечивает гибкое расширение изображения с разным разрешением, локальное и направленное расширение изображения с использованием сегментов контура; таким образом, он может очень эффективно отображать ребра и другие особенности вдоль кривых.К сожалению, у CT отсутствует инвариантность к сдвигу из-за понижающей и повышающей дискретизации как в LP, так и в DFB. В частности, понижающая дискретизация отфильтрованного изображения может привести к наложению частот в нижних и верхних частотах. Эти недостатки ограничивают использование ТТ во многих приложениях [22, 30].

2.1.2. NSCT Theory

Чтобы устранить искажение частот CT и повысить его избирательность по направлению и инвариантность к сдвигу, da Cunha et al. [31] предложили инвариантную к сдвигу версию, основанную на несубдискретизированных банках пирамидальных фильтров (NSPFB) и несубдискретизированных банках направленных фильтров (NSDFB), как показано на Рисунке 1 (а) [31, 32].

Контурлетное преобразование без субдискретизации (NSCT), в качестве репрезентативного метода, связанного с MCC, может использоваться для разложения изображения (например, преобразованного из кривой зарядного тока или напряжения разряда) на несколько пространственно-частотных каналов ( набор узкополосных частот), каждая из которых дополнительно включает в себя разное количество компонентов ориентации в зависимости от предварительно определенной настройки для каждого канала.

В NSCT свойство мультимасштабирования получается из структуры фильтрации, инвариантной к сдвигу, которая обеспечивает разложение на поддиапазоны, подобное таковому в LP.Процесс может быть реализован с использованием двухканальных банков двухмерных (2D) фильтров без субдискретизации. Рисунок 1 (b) иллюстрирует разложение пирамиды без подвыборки по стадиям. Такое расширение концептуально аналогично одномерному (1D) вейвлет-преобразованию без субдискретизации, вычисленному с помощью алгоритма à trous . Фильтры для следующего этапа получаются путем повышающей дискретизации фильтров предыдущего этапа с помощью матрицы дискретизации: что дает свойство мультимасштабирования без необходимости создания дополнительных фильтров.На разложении j -го идеальная частотная поддержка фильтра нижних частот составляет. Соответственно, идеальной опорой фильтра высоких частот является дополнение фильтра низких частот, а именно область. Эквивалентные фильтры каскадного NSPFB уровня J приведены где и представляют собой фильтр нижних частот и соответствующий фильтр верхних частот, соответственно, на первом этапе [32].

DFB создается путем комбинирования критически дискретизированных двухканальных банков фильтров вентилятора и операций повторной дискретизации.В результате получается банк фильтров с древовидной структурой, который разбивает двумерную частотную плоскость на направленные клинья. Путем выключения субдискретизаторов / повышающих дискретизаторов в каждом двухканальном банке фильтров в древовидной структуре DFB и соответствующей повышающей дискретизации фильтров получается NSDFB. Таким образом может быть получено дерево, состоящее из двухканальных NSDFB. Рисунок 1 (c) иллюстрирует четырехканальную декомпозицию [32]. Фильтры вентилятора с повышенной дискретизацией имеют поддержку частоты шахматной доски, где — матрица quincunx: четырехканальное направленное разложение может быть получено, когда фильтры объединены с фильтрами вентилятора.Эквивалентный фильтр в каждом канале может быть задан следующим образом:

После разложения на уровне NSCT можно получить одно изображение поддиапазона нижних частот и изображения направленного поддиапазона с полосой пропускания, которые все имеют тот же размер, что и входное изображение. Здесь — уровень направленной декомпозиции в масштабе j .

Как описано выше, ядром NSCT является конструкция фильтра в двухканальном NSPFB и NSDFB. NSCT не только сохраняет характеристики CT, но также имеет важное свойство инвариантности сдвига.Таким образом, это исследование использует NSCT для извлечения характеристик из значений CC и DV литий-ионной батареи.

2.2. МСК ВС и ЛЭ

2.2.1. MSC и Manifold Learning

Когда мы смотрим на объект с такими условиями, как изменение масштаба и освещения, сигналы, передаваемые от глаз к мозгу миллионами аксонов зрительного нерва, постоянно находятся в потоке. Тем не менее, мы можем признать, что эти изменяющиеся сигналы производятся одним и тем же объектом. Это явление было изучено Сеунгом и Ли, которые предложили гипотезу о том, что зрительная память хранится в виде множества стабильных состояний или непрерывного аттрактора [25].Изображения одного и того же объекта с изменениями масштаба, освещенности и других переменных факторов лежат на низкоразмерном многообразии, тогда как изображения разных объектов образуют разные многообразия. С точки зрения когнитивной психологии когнитивный процесс идентификации объекта — это распознавание различных низкоразмерных многообразий, встроенных в многомерную визуальную информацию. То есть HVS обладает способностью ощущать многообразие, спрятанное в мозгу. Эта характеристика HVS называется MSC.Подобно MSC HVS, многообразное обучение может находить значимые низкоразмерные структуры, скрытые в высокоразмерных наблюдениях; это привлекает все большее внимание ученых.

Обучение многообразию, также известное как уменьшение нелинейной размерности, является широко распространенным методом, который встраивает многомерные образцы в низкоразмерное пространство признаков, сохраняя некоторые локальные или глобальные геометрические структуры [33]. Было предложено множество подходов к обучению многообразию, такие как изометрическое отображение [26], локально линейное вложение [27], собственные карты Лапласа [34] и собственные карты Гессе [35].Среди этих подходов лапласовское собственное отображение (LE) является разновидностью метода спектральных графов; это привлекло значительное внимание сообщества машинного обучения. В этом исследовании LE используется, чтобы установить внутреннее многообразие малой размерности и выполнить уменьшение размерности.

2.2.2. Теория LE

LE — это типичный метод уменьшения размерности на основе графов. Основное математическое понятие LE можно резюмировать следующим образом.

Предположим, что многомерное многообразие d (обозначенное как выходное пространство), встроенное в пространство m (обозначенное как входное пространство), может быть описано функцией: где — компактное подмножество с открытым внутренним пространством.Набор точек данных, где дискретизируются с шумом от внутреннего коллектора; взаимосвязь можно представить следующим образом: где означает шум. LE можно распознать следующим образом: исходные наборы данных в многообразии более высоких измерений отображаются (нелинейно) в точки данных при оценке неизвестного многообразия более низких измерений с помощью [36].

Учитывая набор многомерных наблюдений, для произвольной точки с ближайшими окрестностями можно построить взвешенный граф смежности, состоящий из узлов и набора ребер, соединяющих соседние точки.Мы рассматриваем проблему отображения взвешенного графа на линию так, чтобы соединенные точки оставались как можно ближе друг к другу. Пусть, где — значение координаты -й точки в и. Разумная карта — выбрать ∈ для минимизации при соответствующих ограничениях. Чтобы избежать серьезных штрафов, которые могут возникнуть, если соседние точки и отображаются далеко друг от друга, минимизация — это попытка гарантировать, что если точки и находятся близко, то и будут также близкими. В результате для любого мы имеем где — матрица Лапласа, которая является положительно полуопределенной.Примечательно, что симметричен, и. Таким образом, можно записать как Следовательно, задача минимизации сводится к нахождению.

Ограничение удаляет произвольный коэффициент масштабирования при внедрении. Матрица обеспечивает естественную меру на вершине графа. Чем больше, тем важнее будет вершина. В (7) показано как положительно полуопределенная матрица, а вектор, который минимизирует целевую функцию, задается решением минимального собственного значения обобщенной задачи на собственные значения с дополнительным ограничением ортогональности.

В более общем смысле, вложение задается матрицей, где строка i , обозначенная как, обеспечивает координаты внедрения вершины i . Точно так же нам нужно минимизировать

Это условие сводится к нахождению [37]

2.2.3. Временное окно для обновления отображения

Фиксированный набор данных из многомерного пространства отображается LE через отображение в низкоразмерное пространство. Следовательно, можно получить соответствующую точку низкой размерности через отображение, когда задана произвольная точка в пространстве высокой размерности.Учитывая, что на практике часто собираются новые данные и в пространстве могут быть получены новые функции, нам необходимо обновить отображение, предоставляемое LE, чтобы приспособиться к новым входящим данным. Таким образом, предлагается общий метод, так называемое «временное окно», которое может быть задано как одна входящая точка или любое другое количество входящих точек по отношению к реальному приложению. Когда количество новых входящих точек достигает фиксированного «временного окна», создается новое обновленное отображение.

2.3. Геодезическое расстояние

В математике, особенно в дифференциальной геометрии, геодезическая — это обобщение понятия «прямая линия» на искривленные пространства [38].Если эта связь является связностью Леви-Чивиты, индуцированной римановой метрикой, то геодезические (локально) являются кратчайшим путем между точками в пространстве. Таким образом, ожидается, что геодезическое расстояние развернет сильно свернутые, скрученные или искривленные нелинейные многообразия [39].

На рис. 2 (а) показан кратчайший путь, измеренный евклидовым расстоянием. Согласно этой метрике, две точки на противоположных сторонах подковы кажутся обманчиво близкими. На рис. 2 (б) показан кратчайший путь, измеренный геодезическим расстоянием.В этом случае две точки на противоположных сторонах подковы не являются соседями согласно геодезическому расстоянию [39].

В этом исследовании геодезическое расстояние принимается как геометрическая метрика емкости батареи на коллекторе, построенном LE.

3. Метод оценки емкости литий-ионных аккумуляторов на основе визуального распознавания

3.1. Описание экспериментальных данных по литий-ионной батарее NASA

Данные, использованные в этом исследовании, были получены из специально созданной батареи в Центре передового опыта NASA Ames Prognostics.Эксперименты проводились в трех различных рабочих профилях (заряд, разряд и сопротивление) при температуре окружающей среды (AT). Зарядка выполняется в режиме постоянного тока заряда 1,5 А до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,2 В, и продолжается в режиме постоянного напряжения до тех пор, пока ток заряда не упадет до 20 мА. Выгрузка останавливается в разные моменты окончания разгрузки (EOD). Эксперименты проводятся до тех пор, пока емкость не снизится до заданных критериев окончания срока службы (EOLC).

Для проверки эффективности предложенного подхода были выбраны типовые данные (№ 5, № 7, № 29 и № 54, которые также использовались в [16, 17]) и описаны в таблице 1. Из таблицы 1 можно видеть, что эти данные имеют одинаковый зарядный ток 1,5 А, но обычно показывают разные AT (24 ° C, 43 ° C или 4 ° C), токи разряда (постоянный ток; 2 A или 4 A), EOD ( от 2,0 В до 2,7 В), начальной емкости (ИС; от 1,1665 Ач до 1,8911 Ач) и EOLC (30% или 12,61%).

---

, что показывает 2, что показывает 2, что 160003 показывает [16] Предлагаемый метод, основанный на зрительном познании, имеет приблизительную точность оценки с методом распознавания сходства на основе базы данных. Используя данные CC для оценки емкости, AE и RE батарей № 7 и № 29, основанные на предлагаемом методе, меньше, чем те, которые указаны в [16], в то время как AE и RE батарей № 5 и № 54 больше, чем в [16].Используя данные DV для оценки емкости, AE и RE батарей № 29 и № 54 на основе предложенного метода меньше, чем в [16], в то время как AE и RE батарей № 5 и № 7 больше, чем в [ 16]. Несмотря на то, что средние значения AE и RE предлагаемого метода немного больше, чем в [16], тем не менее, средние значения ET предлагаемого метода составляют всего 11,1975 с на основе данных CC и 11,095 с на основе данных DV, более чем в 20 раз. меньше, чем в [16], что делает предложенный метод визуального познания более практичным для оценки возможностей в реальном времени.

По сравнению с [17], из таблицы 2 видно, что предложенный метод оценки возможностей, основанный на визуальном восприятии, обычно демонстрирует лучшую производительность, чем геометрический метод [17]. AE и RE для батарей № 5, № 29 и № 54 меньше, чем указанные в [17], при этом AE и RE батареи № 7 немного выше. Примечательно, что избыточная часть AE и RE батареи № 7 относительно мала, потому что точность оценки батареи № 7 в [17] уже очень высока.При использовании визуального познания на основе данных CC максимальное и среднее AE снижаются на 1,3% и 0,8925% соответственно; показатели RE снизились на 0,46% и 0,585% соответственно. Аналогичным образом, при использовании визуального познания, основанного на данных DV, максимальное и среднее AE снижаются на 1,63% и 0,815%, а REs — на 1,41% и 0,6725%.

Результаты оценки, представленные на рис. 7 и в таблице 2, демонстрируют, что предложенный метод оценки способности на основе визуального познания очень эффективен с данными CC или DV за очень короткое время.То есть можно выбрать кривые CC или DV, с помощью которых можно с высокой точностью оценить емкость батареи в реальном времени.

5. Выводы

В этом исследовании предлагается новый метод оценки емкости литий-ионных аккумуляторов на основе визуального восприятия. Предлагаемый подход преобразует собранные данные CC или DV из каждого цикла заряда / разряда в изображение. Затем NSCT используется для извлечения функций из преобразованного изображения. После этого, основываясь на характеристиках восприятия коллектора HVS, мы используем метод LE для определения внутреннего коллектора, встроенного в многомерные коэффициенты NSCT, из которых можно выявить закон ухудшения характеристик батареи.Геодезическое расстояние на внутреннем коллекторе принимается для оценки емкости батареи.

Предлагаемый метод оценки возможностей на основе визуального познания может использовать данные CC или DV. Проверочные эксперименты проводились с использованием данных, собранных из наборов данных о батареях НАСА. Результаты показывают, что предложенный метод может быть использован для выполнения оценки емкости с использованием данных CC или DV с высокой точностью при различных условиях эксплуатации и старения. Кроме того, предлагаемый метод избавляет от необходимости изучать сложные электрохимические механизмы, устанавливать модели или проводить длительные испытания, что делает его многообещающим практическим методом оценки емкости аккумуляторов.Однако необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы установить следующее: (1) оптимальное количество данных CC / DV для преобразования изображения; (2) выбор масштаба разложения и направления разложения в методе NSCT; (3) внутренняя размерность многообразие, построенное Л.Е.

Глоссарий

9010% ) # 900 .AT, CC, DC, EOD, IC и EOLC обозначают температуру окружающей среды, ток заряда, ток разряда, окончание разряда, начальную емкость и критерии окончания срока службы (отношение уменьшенной емкости к начальной емкости) соответственно. Номер этикетки AT (° C) CC (A) DC (A) EOD (V) IC (Ah) # 5 24 1.5 2 2,7 1.8565 30 # 7 24 1,5 2 2.2 1.8911 30 4 2,0 1,8447 12,61 # 54 4 1,5 2 2,2 1,1665 30 3.2. Преобразование изображений CC или DV для визуального познания 3.2.1. Метод преобразования изображения Реальное состояние произвольной батареи можно определить путем ее зарядки или разрядки. Следовательно, кривые CC и DV, полученные в процессе зарядки и разрядки, могут напрямую отражать реальное состояние аккумулятора.Чтобы обнаружить закон снижения производительности, содержащийся в этих кривых, кривые CC и DV для каждого цикла преобразуются в изображение для последующего визуального восприятия. Во-первых, значения CC и DV за время существования полных циклов равномерно нормализуются в соответствии с уравнением линейной нормализации:, где — исходное значение CC или DV, — это нормализованное значение, а MinValue и MaxValue — это минимальное и максимальное значение CC / DV. значения за время жизни полных циклов, соответственно. Затем нормализованные точки данных объединяются в матрицу, как показано на рисунке 3.Если мы рассматриваем нормализованную амплитуду каждой выборки как значение пикселя изображения, тогда матрица становится изображением. Следующие принципы используются для обеспечения качества преобразованных изображений: преобразованные изображения должны сохранять наиболее полезную информацию о каждом цикле зарядки / разрядки; данные CC и DV, которые значительно отличаются от данных других циклов, должны быть исключены; изображения, построенные на основе данных CC и DV каждого цикла, должны иметь одинаковый размер. Чтобы придерживаться этих принципов, необходимо выбрать и обработать данные CC и DV каждого цикла заряда / разряда. 3.2.2. Выбор и обработка данных В некоторой степени качество преобразования изображения напрямую влияет на результаты визуального познания. Следовательно, правильный выбор и обработка данных CC и DV важны для обеспечения высококачественных преобразованных изображений. Наши эксперименты собирают два вида данных CC / DV, содержащих наиболее полезную информацию: данные CC при зарядке при постоянном напряжении; Данные DV во время процесса разгрузки.Следующие данные отбрасываются: (A) аномальные данные, (B) данные CC на стадии зарядки постоянным током, (C) данные чувствительного напряжения на ранних стадиях разряда и (D) данные восстановления напряжения; они показаны на рисунке 4. Разница в частоте выборки (или времени начала выборки) приводит к разному количеству данных CC или DV для каждого цикла. Это вызывает проблему при формировании изображений одинакового размера. Мы применяем метод интерполяции, чтобы обеспечить одинаковое количество точек данных для каждого цикла.Если изображение слишком велико, вычислительная нагрузка становится чрезмерной, тогда как если изображение слишком маленькое, оно не может отражать характеристики конкретного цикла зарядки / разрядки. Чтобы сбалансировать эти соображения, мы выбираем. Таким образом, каждый цикл требует в общей сложности 4096 точек данных для построения изображения. Если мы получаем точки данных из цикла заряда / разряда, тогда другие точки данных получают с помощью алгоритма интерполяции «сплайна». На рисунке 4 показан пример обработанных кривых данных CC / DV от батареи №5. 3.3. Извлечение признаков на основе NSCT и LE 3.3.1. Многоканальное извлечение признаков на основе NSCT В этом разделе описывается метод извлечения признаков деградации, основанный на NSCT, который составляет основу данного исследования. Используя NSCT, преобразованные изображения из значений CC / DV разлагаются на множество пространственно-частотных каналов с набором поддиапазонов ориентации. Поддиапазоны могут быть выражены следующим образом: где i — масштаб разложения, j — направление разложения, представляет низкочастотный коэффициент и представляет высокочастотный коэффициент j -го направленного поддиапазона в i масштаб.В этом исследовании и. То есть масштаб разложения равен 2, а направления разложения в каждом масштабе равны 2 и 4. Коэффициенты низкочастотных поддиапазонов отражают информацию контура изображения, тогда как коэффициенты высокочастотных поддиапазонов отражают подробную информацию. Информация. Следовательно, три индикатора временной области извлекаются как значения признаков; это среднее значение ( μ ) и значение дисперсии () коэффициентов низкочастотного поддиапазона, а также значение энергии () коэффициентов высокочастотного поддиапазона.Уравнения для расчета этих трех показателей представлены следующим образом: где представляет каждый элемент коэффициентов и представляет размер матрицы коэффициентов. Таким образом, восьмимерный вектор признаков каждого изображения, преобразованного из одного цикла зарядки / разрядки, может быть получен как 3.3.2. Создание внутреннего коллектора на основе LE Внутренний коллектор устанавливается с использованием вышеупомянутого метода LE. Закон деградации, регулирующий характеристики батареи, выявляется данными, лежащими в этом внутреннем многообразии в пространстве, которое встроено в многомерное пространство.Пространство построено из восьмимерных векторов признаков, извлеченных NSCT из изображений, преобразованных из данных CC / DV. Отображение от до дает двумерную матрицу характеристик в пространстве, где можно хорошо описать снижение емкости литий-ионных аккумуляторов. Отображение устанавливается аналогичным набором необработанных экспериментальных данных полного цикла жизни (ASL) для каждого из четырех типичных наборов данных. Если задана произвольная точка в, соответствующая точка данных, представляющая емкость литий-ионного аккумулятора в, может быть получена посредством сопоставления. 3.4. Оценка емкости на основе геодезического расстояния В этом исследовании рассчитывается геодезическое расстояние вдоль внутреннего коллектора между начальной точкой и самой последней точкой в ​​процессе деградации, чтобы выполнить оценку емкости батареи. Обозначьте как начальную емкость, которая обычно не является номинальной емкостью, и как емкость последнего цикла заряда / разряда экспериментальных данных ASL. Обозначим геодезическое расстояние между начальной точкой и точками внутреннего многообразия как, а геодезическое расстояние между начальной точкой и последней точкой внутреннего многообразия ASL как.Емкость каждой точки пространства может быть оценена как 4. Результаты и обсуждение Мы используем батарею № 5, чтобы продемонстрировать эффективность предлагаемого подхода. На рисунке 4 показаны исходные кривые данных CC во время процесса зарядки (рисунок 4 (a)) и кривые данных DV во время процесса разряда (рисунок 4 (c)). Соответствующие обработанные кривые, полученные для стабильной ступени батареи №5, показаны на рисунках 4 (b) и 4 (d). Используя схему преобразования, изображенную на рисунке 3, нормализованные данные для каждого цикла процессов зарядки / разрядки преобразуются в изображение.На рисунке 5 показаны примеры преобразованных изображений из одного цикла процессов зарядки и разрядки. После преобразования изображения метод NSCT используется для извлечения признаков из преобразованных изображений, тем самым формируя восьмимерный вектор признаков, построенный путем вычисления среднего значения и дисперсии коэффициентов низкочастотного поддиапазона и энергии высокочастотного сигнала. коэффициенты поддиапазона. Используя отображение из в, установленное LE, мы строим внутреннее многообразие в 2D-пространстве.Это описывает закон снижения емкости аккумулятора. На рисунке 6 показан внутренний коллектор батареи №5, внедренный в восьмимерное пространство, построенное с помощью функций, извлеченных из данных DV. В этом исследовании пропускная способность оценивается с использованием данных CC или DV на основе геодезического расстояния на внутреннем многообразии, рассчитанного по (14). Расчетные результаты для всех демонстрационных данных (батареи № 5, № 7, № 29 и № 54) в различных условиях эксплуатации точно соответствуют измеренной емкости, как показано на рисунке 7. Сравнение результатов оценки в этом исследовании и в исследовании [16, 17] приведено в таблице 2 с точки зрения абсолютной ошибки (AE), относительной ошибки (RE) и затраченного времени (ETs). AE и RE рассчитываются следующим образом: Данные Элементы # 5 # 7 # 29 # 54 Максимум CC AEs (%) 2.30 2,51 0,90 3,18 3,18 2,222 REs (%) 1,51 1,56 0,53 3,3108 16,16 15,86 3,59 9,18 16,16 11,1975 CC [16] 70 5,04 2,66 3,70 3,3975 REs (%) 1,42 2,23 2,90 2,71 2,9011 2,71 2,9015 291 11 189 401 223 DV AEs (%) 2,85 2,877 9010 2,877 8 2,85 2,300 REs (%) 1,76 1,69 0,75 2,43 2,43 1,658 9,45 15,70 11,095 DV [16] AEs (%) 1,21 1,94 1,4937 1,7525 REs (%) 0,77 1,15 0,87 2,48 2,48 1,3175 ETs (s) 460118 9011 9011 460 227,5 CC + DV [17] AEs (%) 4,48 2,42 1,85 3,15115 RE (%) 2,93 1,49 1,06 3,84 3,84 2,330

CC:

9011 9011 9011 9011 Начальная емкость

AE:	Абсолютная погрешность
ASL:	Аналогичный набор полного цикла срока службы
AT:	Температура окружающей среды
CT:	Преобразование контура
CV:	Постоянное напряжение
DC:	Ток разряда
DFB:			Направляющий фильтр напряжение
EOD:	Конец разряда
EOLC:	Критерий окончания срока службы
HVS:	Система зрения человека
LE:	Собственная карта Лапласа
LP:	Пирамида Лапласа 9011 3
MCC:	Многоканальная характеристика
MSC:	Чувствительная характеристика коллектора
NSCT:	Неподдискретизированное преобразование контура
	подвыборка фильтра направления
NSFB:	Банк фильтров без субдискретизации
NSPFB:	Банк пирамидальных фильтров без субдискретизации
RE:	Относительная ошибка.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Это исследование было поддержано фондами фундаментальных исследований для центральных университетов (грант № YWF-16-BJ-J-18) и Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 51575021 и 61603016), поскольку а также Китайский фонд постдокторантуры (гранты №№ 2017M610033 и 2017T100026).

5 основных факторов, влияющих на КПД промышленных аккумуляторов

Что такое КПД аккумуляторов?

Выбирая аккумулятор для погрузочно-разгрузочного оборудования, занятые менеджеры автопарка задаются одним вопросом: насколько энергоэффективен аккумулятор? Другими словами, сколько мы можем получить за свои деньги?

Эффективность батареи, попросту говоря, — это количество энергии, которое вы можете получить от батареи, по отношению к количеству энергии, которое в нее вложено.

Количество энергии, которое вы получаете, всегда будет меньше того, что вы вложили, однако есть определенные факторы, которые влияют на эту разницу.

Кулоновский КПД и КПД по напряжению

Энергоэффективность батареи можно измерить двумя способами: кулоновской эффективностью (CE) и эффективностью напряжения.

CE измеряет перенос электронов во время заряда и разряда, а также сколько электронов теряется в течение полного цикла. Для этих измерений часто используется счетчик кулонов. Чем выше CE, тем меньше потери электронов и тем дольше срок службы батареи.

Эффективность напряжения — это разница напряжений при зарядке и разрядке аккумулятора. Эта разница вызвана так называемым перенапряжением.

Каждую аккумуляторную батарею необходимо заряжать при более высоком напряжении, чем напряжение разряда — это различие является ключевым для определения эффективности батареи.

Пять ключевых факторов влияют на эффективность промышленных аккумуляторов и два метода измерения, описанные выше.

• Ток заряда
• Состояние зарядки
• Внутреннее сопротивление
• Температура батареи
• Возраст батареи
  
  

1: Ток заряда

Для литий-ионных аккумуляторов «лучшая практика» зарядки — это поддерживать контроль тока на умеренном уровне, чтобы максимизировать эффективность и срок службы аккумулятора.

Вот почему: во время процесса зарядки происходят изменения во внутреннем химическом составе батареи, и зарядка большим током ухудшает эти эффекты.

Атомы лития и электролиты накапливаются на поверхности графитового анода, образуя слой, называемый границей твердого электролита (SEI), который защищает анод, но также становится толще со временем и может препятствовать доступу ионов к аноду, если он слишком толстый.

На катоде образуется аналогичное скопление ионов лития, которое может вызвать окисление электролита и привести к тепловому разгоне.

Слишком низкий зарядный ток увеличивает срок службы батареи, но снижает ее емкость. Это также неэффективно по времени.

Литий-ионные батареи

часто рассчитаны на зарядку всего за час, поскольку потеря эффективности иногда менее важна, чем потеря времени.

2: Состояние зарядки

Уровень заряда аккумулятора для электромобиля, такого как вилочный погрузчик, эквивалентен указателю уровня топлива — это уровень заряда относительно его емкости в любой момент времени.

Во время цикла разряда выходное напряжение постепенно падает, так же как и SoC. Литий-ионные батареи имеют гораздо меньшую скорость падения напряжения, чем свинцово-кислотные батареи.

Потеря емкости, которую батареи испытывают при циклической работе при высоких температурах, напрямую связана с их SoC — чем выше SoC, тем хуже потеря емкости.

Важно знать о SoC аккумулятора, чтобы максимально повысить его эффективность.Из-за плоской кривой разряда счетчик кулонов часто является единственным способом точно измерить и отследить SoC для литий-ионных. Большинство систем просто измеряют выходное напряжение для оценки SoC, но этот метод может быть неточным и зависит от температуры, поверхностного заряда и возраста.

3: внутреннее сопротивление

На внутреннее сопротивление батареи влияет множество факторов, в том числе размер, возраст, сила тока и химический состав. Чем ниже внутреннее сопротивление, тем легче аккумуляторной батарее.Литий-ионные батареи имеют одно из самых низких внутренних сопротивлений.

В литий-ионных батареях SEI на аноде способствует высокому внутреннему сопротивлению, блокируя взаимодействие с графитом.

Слой SEI важен для функциональности батареи, поскольку он стабилизирует систему и увеличивает срок службы, но его воздействие со временем может увеличивать внутреннее сопротивление.

Производители литий-ионных аккумуляторов используют добавки к электролиту аккумуляторов, чтобы частично снизить этот эффект и предотвратить слишком ограничивающую пленку SEI.

Большинство производителей держат свою формулу присадок в секрете, но обычно используется виниленкарбонат, который очень эффективно поддерживает низкое внутреннее сопротивление с возрастом.

4: Температура батареи

Литий-ионные батареи

должны заряжаться при температуре от 32 ° от F до 113 ° F и разряжаться при температуре от -4 ° F до 131 ° F.Их характеристики заряда и разряда остаются хорошими при более высоких температурах по сравнению с другими батареями, но чем больше они подвергаются воздействию высоких температур, тем короче их срок службы.

Когда температура ниже 41 ° F, ток заряда следует уменьшить.

Высокие температуры вызывают окисление катодного электролита, что может привести к внезапной потере емкости.

Зарядка литий-ионной батареи при температуре ниже точки замерзания вызовет постоянное накопление SEI на аноде, что повредит батарею и снизит емкость.

5: Срок службы батареи

Кажется очевидным, что чем больше стареет батарея, тем она менее эффективна, но возраст батареи не измеряется годами.

Как правило, срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет 2 000–3 000 циклов, что значительно превышает срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов, составляющий 1 000–1500 циклов.

Как выглядит старение батареи? Батарея испытает необратимую потерю емкости. Жидкие электролиты будут медленно высыхать или превращаться в твердые, и на электродах образуется слой ионов лития.

Чрезмерная зарядка, глубокая езда на велосипеде и экстремальные температуры ускоряют процесс старения литий-ионного аккумулятора. Чтобы максимально продлить срок службы литий-ионного аккумулятора, лучше всего заряжать его при умеренных (комнатных) температурах.

Какой аккумулятор для вилочных погрузчиков самый эффективный?

Литий-ионные батареи

имеют один из наивысших классов CE среди всех типов аккумуляторных батарей — 99% или выше. Это самые эффективные аккумуляторы.Свинцово-кислотные батареи ниже примерно на 90%, а батареи на никелевой основе — ближе к 80%. Эта эффективность падает при высоких тарифах. Литий-ионный остается около 90% при уровне заряда 1С, в то время как эффективность свинцово-кислотного аккумулятора падает ниже 50%.

Литий-ионные батареи:

• Имеют более длительный срок службы как по количеству циклов, так и по сохраняемой емкости с течением времени, чем свинцово-кислотные батареи
• Может частично заряжаться снова и снова, в то время как свинцово-кислотный требует еженедельной перезарядки / выравнивания для балансировки ячеек и удаления сульфатации
• Поддерживать высокое выходное напряжение при более низком уровне заряда, в то время как напряжение свинцово-кислотных аккумуляторов падает, так как их SoC падает
• Может работать при более высоких температурах, чем свинцово-кислотная, и при более низких температурах со встроенными нагревателями

Если вы пытаетесь максимально использовать возможности погрузочно-разгрузочного оборудования, литий-ионные батареи будут наиболее эффективным решением для работы в несколько смен.Поскольку литий-ионные аккумуляторы могут работать до 3 смен, а свинцово-кислотные аккумуляторы — от 1 до 2 смен, решение о переходе на литий-ионную технологию является более простым.

Аккумуляторы | Бесплатный полнотекстовый | Факторы, влияющие на расчет емкости литий-ионных стационарных батарей

1. Введение

В результате конкурентных исследований и разработок во всем мире ускоряется разработка мощных и высокопроизводительных систем хранения энергии (ESS).С момента появления литий-ионных аккумуляторов в 1991 году они широко применяются в устройствах хранения энергии. Вначале он широко использовался в портативных электронных устройствах. Однако в последние годы применение ESS в электромобилях и установках возобновляемой энергии быстро расширяется. Однако, хотя промышленные стандарты для определения размеров существующих стационарных батарей, таких как свинцово-кислотные и никель-кадмиевые батареи, установлены, промышленные стандарты для определения размеров литий-ионных стационарных батарей все еще находятся в стадии разработки.

IEC 62619-2017, «Требования безопасности для вторичных литиевых элементов и батарей для использования в промышленности» и IEC 62620-2014, «Вторичные элементы и батареи, содержащие щелочные или другие некислотные электролиты» — недавно установленные международные стандарты для стационарных устройств. литий-ионные аккумуляторы. Однако стандарты IEC 62619 и 62620 не охватывают метод определения емкости литий-ионных стационарных батарей. Корейская электрическая ассоциация опубликовала Кодекс электроэнергетики Кореи (KEPIC) EEG 1400 «Проектирование установки и установка литий-ионных батарей для станций» 31 декабря 2017 года.KEPIC EEG 1400 описывает, как определить размер литий-ионных стационарных батарей, но не принимает во внимание все характеристики литий-ионных батарей.

Автор предложил формулу выбора емкости литий-ионных стационарных батарей для установления стандартов промышленного дизайна, необходимых для проектирования и установки стационарных батарей на атомных электростанциях [1]. В качестве дальнейшего исследования целью данной статьи является рассмотрение характеристик напряжения аккумуляторных элементов, одного из факторов, влияющих на расчет технических характеристик аккумулятора, и предложение о том, как применять коэффициент напряжения при расчете емкости аккумулятора.Исследования механизмов снижения емкости и снижения производительности литий-ионных аккумуляторов проводятся многими исследователями [2,3,4,5]. Результаты таких исследований являются важным фактором при прогнозировании срока службы батареи. Однако в этом исследовании предполагается, что аккумулятор заменяется, когда емкость аккумулятора падает ниже заданного уровня, чем его номинальная емкость. Было проведено тематическое исследование для сравнения литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных аккумуляторов. В качестве примера была выбрана система 125 В постоянного тока атомной электростанции с водяным реактором (PWR).Это связано с тем, что институт ядерной энергии (NEI) поднял вопрос о необходимости продления времени автономной работы от батарей до как минимум 24 часов [6].

2. Факторы, влияющие на расчет емкости литий-ионных аккумуляторов

2.1. Номинальное напряжение

Литий-ионные батареи состоят из элементов, в которых используются соединения интеркаляции лития в качестве положительных и отрицательных материалов. Литий-ионные аккумуляторы могут быть изготовлены с использованием оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ или LCO), оксида марганца (LiMn ₂ O ₄ или LMO), литий-никель-марганцево-кобальтового оксида (LiNiMnCoO ₂ или NMC), лития фосфат железа (LiFePO ₄ ), титанат лития (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) и оксид лития-никель-кобальт-алюминий (LiNiCoAlO ₂ ), как показано в Таблице 1 [7].Различные размеры и формы выпускаются разными производителями. Один элемент обычно работает в диапазоне от 2,5 В до 4,2 В. Выходное напряжение литий-ионного аккумулятора изменяется во время разряда. Номинальное напряжение — это напряжение, которое измеряется, когда батарея разряжена на 50% от общей энергии, при скорости разряда 0,2 ° C. Поскольку энергия батареи зависит от произведения напряжения и емкости, батарея с высокой плотностью энергии получается из материала с высоким напряжением и большой емкостью [8].

2.2. Зарядное напряжение и состояние емкости

Как правило, стационарные батареи работают с плавающей зарядкой и разряжаются на нагрузки при отключении источника заряда. Существует примерно линейная зависимость между состоянием заряда (SOC) свинцово-кислотных аккумуляторов и напряжением холостого хода (OCV). В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы не имеют линейной зависимости между OCV и SOC [9]. SOC батареи определяется как отношение ее текущей емкости (Qt) к номинальной емкости (Qn).Номинальная или номинальная емкость (Ач) батареи определяется как максимальная Ач, которую полностью заряженная батарея может разрядить при определенных условиях. Эти условия включают в себя конечное напряжение аккумулятора, ток разряда и температуру. Большинство аккумуляторов имеют определенное напряжение заряда. При напряжениях ниже этого отдельного напряжения аккумулятор не заряжается, а если напряжение заряда немного выше определенного напряжения заряда, аккумулятор полностью заряжается, хотя это может занять много времени. Однако литий-ионный (литий-ионный, литий-полимерный, литий-ионный фосфат и т. Д.) батарейки отличаются от батарей других типов. Количество заряда зависит от напряжения, как показано на Рисунке 1 [10]. Продолжение зарядки полностью заряженного аккумулятора может вызвать возгорание из-за перезарядки. В последнее время в Корее часты пожары в ESS (системе хранения энергии), работающей совместно с солнечной энергией. Поэтому производитель рекомендовал покупателям ограничить количество заряда ниже определенного уровня, чтобы предотвратить перезарядку до тех пор, пока не будут выяснены причины возгорания.

2.2.1. Процесс зарядки и напряжение

Существует несколько методов зарядки литий-ионных аккумуляторов. Это методы непрерывной зарядки, пятиступенчатой ​​зарядки, импульсной зарядки и ускоренной зарядки. Одним из самых известных методов зарядки является непрерывная зарядка [11]. Капельная зарядка означает зарядку полностью заряженной батареи с той же скоростью, что и скорость саморазряда, таким образом, чтобы батарея могла поддерживать полный уровень заряда. Однако литий-ионные аккумуляторы нельзя безопасно заряжать непрерывным током. В этом случае схема зарядки контролирует электрические условия во время зарядки в соответствии с требованиями химического состава батареи.График на Рисунке 2 [12] показывает поведение процесса зарядки литий-ионной батареи при постоянном токе / постоянном напряжении (CCCV). Зарядное устройство ограничивает величину тока до предварительно установленного уровня, пока аккумулятор не достигнет предварительно установленного уровня напряжения отключения. Затем ток уменьшается по мере того, как аккумулятор полностью заряжается. Эта система обеспечивает быструю зарядку без риска чрезмерной зарядки.

2.2.2. Напряжение подзарядки

Напряжение подзарядки — это напряжение, которое поддерживает состояние заряда батареи после полной зарядки за счет компенсации саморазряда.Соответствующее плавающее напряжение будет сильно варьироваться в зависимости от химического состава и структуры батареи, а также температуры окружающей среды [13]. В то время как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные элементы предназначены для рекомбинации; литий-ионные элементы не могут. Когда свинцово-кислотный аккумулятор перезаряжается, положительная пластина выделяет кислород, а отрицательная пластина выделяет водород. Затем кислород и водород производят рекомбинацию и превращаются в воду. (O ₂ ↑ + 4H + 4e ^— ↔ 2H ₂ O).Однако любой ток, протекающий через полностью заряженный литий-ионный аккумулятор, повреждает его и / или сокращает срок службы его элемента. В связи с частыми пожарами в системах накопления энергии (ESS) с литий-ионными аккумуляторами производители аккумуляторов рекомендовали снизить потолок SOC с 90% до 70%. Поскольку литий-ионные элементы необратимо разлагаются из-за перезарядки или чрезмерной разрядки и могут выделяться при перезарядке, в литий-ионных батареях обычно используется схема управления батареей для поддержания зарядного напряжения ниже напряжения отключения и предотвращения перезарядки [14].С другой стороны, согласно эксперименту, приведенному в [15], катодная батарея LiFePO ₄ сохранила 70% своей начальной разрядной емкости после 24-месячного теста на подзарядку. Скорость снижения емкости увеличивалась с повышением температуры, и емкость упала до 60% от первоначального значения после одного месяца испытания подзарядки, проведенного при 55 ° C. Следовательно, при определении необходимой емкости литий-ионной стационарной батареи необходимо учитывать как напряжение плавающего заряда, так и время плавающего заряда.

2.3. Разрядный ток и разрядная емкость

Разрядная емкость свинцово-кислотной батареи зависит от тока разряда в соответствии с постоянной k формулы Пойкерта. Чем больше ток разряда, тем больше разница в емкости разряда. Другими словами, разрядная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов экспоненциально уменьшается при высоких токах, как показано на рисунке 3 [16]. Разрядные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, которые в основном используются в промышленных целях, представлены следующими характеристиками Пойкерта. закон.где;

• Q _p Разрядная емкость при разряде при 1 A [Ач]

• I Ток разряда [A]

• T Время разряда для достижения напряжения окончания разряда [с]

• K Постоянно, приблизительно 1.3.

С другой стороны, литий-ионный аккумулятор имеет k-постоянную, близкую к единице. Это означает, что разрядная емкость аккумулятора не сильно зависит от величины разрядного тока и демонстрирует хорошие разрядные характеристики при высокой скорости разрядки.Однако по мере увеличения конечного напряжения различия в емкости разряда в зависимости от скорости разряда начинают увеличиваться. И по мере увеличения количества циклов заряда-разряда разница в разрядной емкости в соответствии со скоростью разряда увеличивается, как показано на Рисунке 4 [17].

2.4. Рабочая температура и разрядная емкость Литий-ионные батареи

способны работать в относительно широком диапазоне температур, как указано в Таблице 2 [18]. Кроме того, на него больше влияет температура во время зарядки, чем при разрядке.Производительность зарядки ухудшается при очень низких или высоких температурах. Свинцово-кислотные аккумуляторы можно заряжать при температуре ниже 0 ° C. Однако рекомендуемый зарядный ток составляет 0,3 C. Чем выше температура, тем больше разрядная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов, как указано в «Таблице 1. Поправочные коэффициенты размера элемента для температуры» стандарта IEEE Std. 485–1997 [19]. Все батареи достигают оптимального срока службы при использовании при температуре 20 ° C или немного ниже. При 40 ° C потери увеличиваются на 40%, а при зарядке и разрядке при 45 ° C срок службы составляет лишь половину ожидаемого срока службы при 20 ° C.Производительность всех батарей сильно падает при низких температурах. При 0 ° C потеря температуры литий-ионного аккумулятора составляет около 10 ~ 20 процентов от его номинальной емкости при 25 ° C. Рисунок 5 может использоваться для предварительных входных данных [20]. Литий-ионный аккумулятор разлагается при температуре выше 35 ° C, особенно выше 50 ° C [21]. Согласно эксперименту, в котором был протестирован элемент из графита / LiNixCoyMnzO ₂ с номинальным напряжением 3,6 В и номинальной емкостью 2,5 Ач, возможно прогнозирование емкости аккумулятора по температуре окружающей среды.Рисунок 6 [22] представляет собой график зависимости температуры от пропускной способности, построенный с помощью интерполяции. Из-за медленной диффузии в батарее влияние температуры на батарею проявляется долго. Следовательно, разумнее прогнозировать емкость батареи по температуре окружающей среды, чем по температуре батареи. Между тем, что касается зависимости между температурой и разрядной емкостью, на рисунке 7 [23] показаны кривые OCV-SOC батареи при температуре 45 ° C , 25 ° C, 0 ° C и -20 ° C.Кривая OCV-SOC сильно различается, особенно под воздействием высоких и низких температур. На диаграмме, чем выше температура окружающей среды, чем ниже напряжение отключения разряда батареи, тем больше ее разрядная емкость. Характеристическая кривая OCV-SOC представляет общий сдвиг вниз. И наоборот, чем ниже температура окружающей среды, тем выше напряжение отключения разряда аккумулятора, что приводит к увеличению заряда аккумулятора, который невозможно высвободить.

2,5. Цикл зарядки и сохранение емкости

Несомненно, различия в условиях и профилях испытаний могут существенно повлиять на результаты цикла.Известно, что большинство батарей, включая литий-ионные, предпочитают умеренный ток при постоянной разрядке, а не импульсную или кратковременную высокую нагрузку. Результаты циклического режима связанных предыдущих исследований для литиевых батарей показали, что выравнивание нагрузки батареи снижает скорость деградации как емкости, так и сопротивления. Однако недавние данные испытаний показали, что при циклическом изменении постоянного тока модули деградируют быстрее, чем при использовании динамических профилей импульсов, как показано на Рисунке 8 [24].Другой эксперимент, проведенный с литий-ионным элементом на основе оксида никель-марганца-кобальта (Li (Ni _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 ) O ₂ ), показывает различный результат сохранения емкости после цикла в зависимости от от тока разряда и комнатной температуры, как показано на Рисунке 9 [25]. Поэтому выяснение неопределенности в отношении влияния профиля нагрузки на срок службы батареи особенно важно в отношении размеров стационарных литий-ионных батарей.

3. Расчет емкости литий-ионной батареи

3.1. Соответствующие промышленные стандарты

Аккумуляторная система постоянного тока атомных электростанций должна соответствовать требованиям стандарта IEEE std. 946 [26] для количества батарей, IEEE std. 384 [27] для требований к разделению и регулирующее руководство RG1.75 [28] для других требований. Емкость свинцово-кислотной батареи определялась в соответствии со стандартом IEEE std. 485 [19]. Однако международные промышленные стандарты для определения емкости стационарных литий-ионных аккумуляторов еще не установлены. Недавно был выпущен код корейской электротехнической промышленности (KEPIC) EEG 1400 [29], который является единственным стандартом для определения размеров и установки стационарных литий-ионных батарей.Однако он не принимает во внимание характеристики состояния заряда (SOC) и не содержит достаточной информации и рекомендаций по применению кода. Таким образом, в этой статье подробно рассматриваются факторы, влияющие на разрядную емкость литий-ионных аккумуляторов, для определения размеров стационарных литий-ионных аккумуляторов. Ниже приводится формула определения емкости литий-ионной стационарной батареи, разработанная в предыдущем исследовании [1]. Кроме того, результат тематического исследования описан в Разделе 4.

3.2. Формула для расчета емкости батареи

Ниже приводится метод определения емкости и размеров литий-ионной батареи, предложенный в статье [1]. где

F _с

— мощность, необходимая для нагрузок постоянного тока [Вт-ч];

F _d

— емкость батареи без поправки на температуру, старение, расчетный запас и т. Д .;

S _f

— коэффициент коррекции емкости.

А,

S _f = (1 + d _f ) × (1 + t _f ) × (1 + c _f ) × (1 + a _f ) × (1 + i _f )

(3)

где

d _f

— расчетный запас;

t _f

— коэффициент температурной поправки;

c _f

— коррекция состояния заряда (SOC);

a _f

— компенсация старения;

i _f

— потеря инвертора (только для батареи ИБП).

Поправочные коэффициенты мощности были рассчитаны следующим образом. Расчетный запас (d _f ) — это запас, который требуется для покрытия неизвестных или непроверенных нагрузок постоянного тока. Рекомендуемый расчетный запас для стационарной батареи указан в IEEE 485.

Батареи чувствительны к температуре окружающей среды. Температурный поправочный коэффициент (t _f ) был выбран на основе постулируемого минимального рабочего состояния.

Значение SOC литий-ионной батареи менялось в зависимости от зарядного напряжения, как показано на Рисунке 1.Стационарный аккумулятор работал в режиме плавающей зарядки при нормальной работе. Следовательно, на разрядную емкость литий-ионной батареи влияет плавающее напряжение зарядки. При определении поправочного коэффициента SOC необходимо также учитывать конечное напряжение аккумулятора (c _f ). Номинальная емкость аккумулятора — это общая разряженная емкость, когда аккумулятор разряжается до тех пор, пока напряжение аккумулятора не снизится до номинального. Сохранение емкости аккумулятора (%) уменьшалось с увеличением номера цикла, как показано на рисунках 8 и 9.Поэтому следует контролировать емкость аккумулятора, проводя тест производительности. Обычно это делается в течение первых двух лет эксплуатации в целях сравнения, чтобы проверить, похожи ли результаты по продолжительности на рабочий цикл батареи [30]. Если аккумулятор заменяется, когда разрядная емкость аккумулятора достигает 80% от номинальной, то коэффициент компенсации старения составляет 25%.

4. Пример определения емкости литий-ионных аккумуляторов

4.1. Аккумуляторы постоянного тока 125 В для атомной электростанции, не связанные с безопасностью

Резервная система 125 В постоянного тока устанавливается для безопасных и небезопасных нагрузок постоянного тока на атомных электростанциях.Резервная система 250 В постоянного тока устанавливается для небезопасных больших нагрузок, таких как двигатели постоянного тока для турбин и генераторов. В таблице 3 показаны профили нагрузки небезопасной системы 125 В постоянного тока для атомной электростанции PWR. Квалификация оборудования требуется для связанных с безопасностью батарей постоянного тока, но квалификация оборудования выходит за рамки данного документа. Поэтому для расчетов в этой статье была выбрана батарея 125 В постоянного тока, не связанная с безопасностью.

4.2. Аккумуляторная батарея и выбор системы

Расчет требуемой емкости по уравнениям (2) и (3).

F _d = {(1431,17 × 1/60) + (1263,62 × 29/60) + (258,62 × 90/60) + (142,2 × 120/60)} × 125 =
1306,9 Ач × 125 В = 163 366,6 [ Wh]

S _f = (1 + 0,10) × (1 + 0,05) × (1 + 0,10) × (1 + 0,25) × (1 + 0) = 1,59

где каждый поправочный коэффициент применялся следующим образом:

d _f : 10%, t _f : 5%, c _f : 10%, a _f : 25%, i _f : 0%

Для непроверенных нагрузок постоянного тока расчетный запас (d _f ) был принят равным 10% в соответствии с общей практикой проектного проекта электростанции, если не было конкретных требований со стороны клиента.Температура аккумуляторной комнаты поддерживалась на уровне 25 ° C, но был применен температурный поправочный коэффициент (t _f ) в размере 5% с учетом того, что температура может упасть ниже этого уровня при отключении питания переменного тока (см. Рисунок 5 и Рисунок 6. ). Аккумулятор работал с плавающей зарядкой и плавающим напряжением, которое должно быть ниже максимального напряжения (см. Раздел 2.2.2). Минимальное напряжение батареи составляло 3,0 В. Однако напряжение в конце разряда составляло 3,09 В, поскольку минимальное напряжение системы постоянного тока составляло 105 В (см. Таблицу 4).Таким образом, поправочный коэффициент SOC (c _f ), равный 10%, был применен на основании результатов вышеупомянутого обзора, а также рисунков 1 и 2. Когда разрядная емкость достигла 80% от номинальной емкости посредством периодических испытаний на разряд, замена батареи была общие стандарты эксплуатации и обслуживания электростанций. Поэтому был применен поправочный коэффициент по возрасту в размере 25%.

Тогда требуемая емкость аккумулятора по нагрузкам постоянного тока [Вт · ч] составляет

F _s = 163 366,9 × 1,59 = 259 752.9 [Вт-ч]

Литий-ионные аккумуляторные системы, подходящие для указанной выше емкости аккумуляторов, были выбраны со ссылкой на спецификацию ESS отечественной компании и ее спецификации, которые перечислены в Таблице 5 [31].

Аккумуляторная система для системы 125 В постоянного тока, не связанной с безопасностью:

(a)

Батарейный модуль

• Емкость: 9435 Втч

• Тип элемента: 150 Ач (75 Ач × 2)

• Номинальное напряжение: 62,9 В (3,7 В × 17)

• Тип подключения: 17 серия × 2 параллельных

(b)

Батарейный отсек

• Количество модулей: 10 модулей / отсек

• Тип подключения: 2 серии × 5 параллельных

• Емкость ячейки: 750 Ач (150 Ач × 5)

• Номинальное напряжение: 125.8 В (62,9 В × 2)

• Размеры (Ш × Г × В): 1150 × 740 × 2116 мм

• Пиковая скорость разряда; 6000 A (8 C)

(c)

Аккумуляторная система

• Количество ячеек: 3 ячейки

• Тип подключения системы: 3 параллельных

• Емкость: 2250 Ач (750 Ач × 3)

• Номинальное напряжение: 125,8 В

• Энергия: 283 кВтч

• Площадь основания: 2.25 м ² (0,85 м ² × 3 ячейки)

(d)

Фактор поправки на практическую емкость:

4.3. Емкость и размер эквивалентной свинцово-кислотной батареи

Была выбрана свинцово-кислотная батарея, подходящая для применения на атомных электростанциях [32], и была рассчитана предполагаемая емкость и требуемая площадь для установки батареи. Определение емкости свинцово-кислотной батареи было выполнено в соответствии с уравнением (4) стандарта IEEE 485.

F = maxS = 1 ~ N∑P = 1P = s [Ap-A (p-1)] kt

(4)

где

• F — нескорректированный размер ячейки;

• S — участок анализируемого рабочего цикла;

• N — количество периодов в рабочем цикле;

• P — анализируемый период;

• A _p — амперы, необходимые для периода P;

• t — время в минутах от начала периода P до конца участка S;

• k _t — это отношение номинальной емкости элемента в ампер-часах к токам, которые может отдавать элемент в течение t минут при 25 ° C и заданном минимальном напряжении элемента.

Ниже приведены оценки свинцово-кислотных аккумуляторов на основе профиля нагрузки постоянного тока в таблице 3. Поправочный коэффициент емкости для расчетного запаса (d _f ) и запаса по старению (a _f ) такие же, как у литиевых. -ионный аккумулятор;

5. Результаты и выводы

В этом документе подробно рассматриваются характеристики зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов. Были рассмотрены другие факторы, влияющие на определение емкости литий-ионных батарей и их характеристик.Затем, в соответствии с формулой расчета емкости литий-ионной батареи, представленной в предыдущей статье [1], была рассчитана емкость батареи, используемой в системе 125 В постоянного тока атомной электростанции PWR, и результаты были сопоставлены с существующими данными. стационарные свинцово-кислотные батареи. Литий-ионные батареи имеют более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы устанавливаются в боксы, а свинцово-кислотные — в одноярусные стойки. В результате литий-ионные батареи занимают гораздо меньше места, чем свинцово-кислотные, как показано в результатах расчетов.

Там, где требуется долговременное резервное питание постоянного тока в случае потери питания переменного тока, например, на атомных электростанциях, настоятельно рекомендуется применять литий-ионные батареи с высокой плотностью энергии. Однако до настоящего времени не было разработано одобренного на международном уровне промышленного стандарта для расчета емкости стационарных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, формула расчета емкости литий-ионной стационарной батареи и факторы, влияющие на результат расчета емкости, представленные и оцененные в этой статье, помогут в проектировании и эксплуатации литий-ионных стационарных батарей.С другой стороны, производители литий-ионных аккумуляторов также должны предоставлять пользователям точные данные по указанным выше факторам.

Объяснение заряда батареи — Любопытно

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, но все они разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в действие аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, происходящими на каждом из электродов.Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени. Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства. Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению с размером. В случае с батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, поскольку это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Это также плюс для электромобилей — аккумуляторы должны как-то подходить к машине!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является обязательным требованием, поскольку, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

---

Эта статья была адаптирована из материалов веб-сайта Академии, проверенных следующими экспертами: Профессор Рэй Уизерс, Научно-исследовательская школа химии FAA , Австралийский национальный университет

Размер батареи

В этой статье дается введение в метод IEEE 485 для выбора и расчета емкости батареи.

Определения

• Рабочий цикл батареи — нагрузка (включая продолжительность), которую батарея должна обеспечивать
• размер ячейки — номинальная емкость батареи
• выравнивающий заряд — длительная зарядка, с большей скоростью чем нормальное напряжение холостого хода
• полностью плавающий режим — работа с батареями и нагрузкой, подключенными параллельно
• период — время, в течение которого нагрузка, как ожидается, будет постоянной при расчетах размеров
• номинальная емкость — емкость аккумуляторного элемента (обычно для заданной скорости разряда и конечного напряжения элемента)
• Свинцово-кислотный элемент с регулируемым клапаном (VRLA) — герметичный свинцово-кислотный элемент (за исключением клапана, который открывается, когда внутреннее давление превышает внешнее давление )
• батарея вентилируемая — батарея, в которой продукты электролиза и испарения могут свободно выходить в атмосферу

Выбор батареи

Выбор физических [[батарей | батарей]] (элементов) зависит от нескольких факторов:

• Тип батареи (герметичный, вентилируемый, свинцово-кислотный , NiCad и др.)
• ожидаемый срок службы аккумулятора
• использование аккумулятора (количество циклов заряда / разряда)
• размеры и вес аккумулятора
• конструкционные материалы
• разъемы и клеммы
• окружающая среда и условия
• требования к техническому обслуживанию
• сейсмические характеристики

Ампер-час и Вт / элемент

Емкость Ач или Ампер-час — это ток, который батарея может обеспечить в течение определенного периода времени.Например, 100 Ач при напряжении C10 до конца разряда 1,75 В / элемент означает, что батарея может обеспечивать 10 А в течение 10 часов до напряжения конца разряда 1,75 В на элемент.

Различные производители аккумуляторов будут использовать разные скорости Cxx в зависимости от рынка или области применения, на которую рассчитаны их аккумуляторы. Обычно используются ставки C3, C5, C8, C10 и C20. В связи с этим это важно при сравнении аккумуляторов разных производителей.

Ач используется для определения размеров батарей на основе методов постоянного [[электрического тока | тока]] и ватт / элемент на основе методов постоянной [[Электрическая мощность | мощность]].

Свинцово-кислотные батареи IEEE 485 для стационарных применений

В этом стандарте подробно описаны методы определения нагрузок постоянного тока и определения размеров свинцово-кислотных аккумуляторов для питания этих нагрузок в полностью плавающем режиме. Ниже приводится краткое описание метода, представленного в стандарте. Полное и точное описание см. В полном стандарте.

Определение нагрузки

Нагрузки классифицируются как:

• непрерывные — нагрузки постоянно присутствуют
• непостоянные — нагрузки продолжаются определенный период
• кратковременные — нагрузки продолжительностью менее 1 минуты

Типичные нагрузки

Непрерывный	Непрерывный	Мгновенный
Освещение Двигатели непрерывного действия Преобразователи Световые индикаторы ИБП Системы управления	Аварийные двигатели Системы противопожарной защиты 3 Работа с клапанами	Работа распределительного устройства Работа клапана (<1 мин) Работа разъединителя Миграция генераторов в полевых условиях Пусковые токи двигателя Пусковые токи

Примечание. Обычно при расчетах размеров батареи предполагается, что мгновенные нагрузки сохраняются в течение 1 минуты.

Диаграмма рабочего цикла

Стандарт рекомендует рисовать рабочий цикл с указанием ожидаемых нагрузок (в [[амперах]] или мощности) для требуемой продолжительности времени резервного питания от батареи.

IEEE 485 Std. Рекомендуемая практика определения размеров свинцово-кислотных аккумуляторов для стационарных применений — типичный рабочий цикл

Соображения

• нагрузки и время, когда должны быть показаны известные
• случайные нагрузки должны быть показаны в наиболее критические моменты

Расчет размера батареи

Количество ячеек и напряжение ячеек — количество ячеек оценивается на основе максимального напряжения батареи и напряжения плавающего заряда:

Минимальное напряжение батареи — это минимальное напряжение системы (включая падение напряжения на кабелях).При минимальном напряжении элемента минимальное напряжение элемента определяется по формуле:

Температурная коррекция — при понижении температуры емкость элемента уменьшается (и, наоборот, при повышении температуры). Производители указывают емкость ячейки при данной температуре, и для других температур следует использовать соответствующие поправочные коэффициенты.

Фактор старения — производительность батареи относительно стабильна на протяжении всего срока службы, быстро снижаясь к концу.Чтобы батарея могла соответствовать требованиям к конструкции на протяжении всего срока ее службы, стандартные предложения предполагают, что начальная емкость должна составлять 125% от расчетной емкости.

Расчетный запас — для учета непредвиденных обстоятельств (повышенные нагрузки, плохое обслуживание, недавний сброс и т. Д.) Обычно допускают расчетный запас от 10% до 15%.

Методология определения размеров — требуемая мощность ячейки F _S определяется по формуле:

Где S может быть любым целым числом от 1 до N в зависимости от секции вычислено и F _S выражается в ватт-часах или ампер-часах в зависимости от того, какой C _t используется.

Требуемый нескорректированный размер ячейки F , тогда определяется как:

где:

• F — это нескорректированный (температура, старение и расчетный запас) размер ячейки
• S — исследуемый участок рабочего цикла (содержащий все предыдущие разделы)
• N — число периодов рабочего цикла
• P — анализируемый период
• A _P — амперы, необходимые для периода P
• t — время в минутах от начала периода P до конца раздела S
• C _t — это номинальный коэффициент емкости (для данного типа элемента, при t-минутной скорости разряда, при 25 ° C, до определенного минимального значения l напряжение
• F _S — мощность, необходимая для каждой секции

Коэффициент номинальной емкости

Есть два способа выражения емкости:

Срок R _t

Термин R _t — это количество ампер, которое каждая пластина может выдать в течение t минут при 25 ^o C до определенного минимального напряжения ячейки.

, что дает:

Срок K _т

Термин K _т представляет собой отношение емкости в ампер-часах при стандартном временном интервале при 25 ^o C и определенное минимальное напряжение, которое может быть доставлено в течение т минут.

, что дает:

R _t не равно 1/ K _t , потому что каждый коэффициент выражается в разных единицах.

См. Также

Ссылки

• [1] IEEE Std. 485 ‘Рекомендуемая практика IEEE для определения размеров свинцово-кислотных батарей для стационарных применений, Институт инженеров по электротехнике и электронике

Battery Power Online | Полезная энергия: ключ к определению истинной стоимости современных литий-ионных аккумуляторных систем для электромобилей

Гленн Деномм, вице-президент по проектированию, A123 Systems, Inc.

Успех индустрии легковых электромобилей во многом зависит от снижения затрат.Широкое распространение среди потребителей электромобилей с аккумуляторной батареей (BEV) и гибридных электромобилей (PHEV) возможно только тогда, когда эти автомобили предлагают как конкурентоспособную начальную стоимость, так и более низкую совокупную стоимость владения в течение всего срока службы транспортного средства. Чтобы поддерживать долгосрочную конкурентоспособность по затратам, автопроизводители и поставщики должны сосредоточить внимание на снижении производственных затрат, начиная с систем литий-ионных аккумуляторов, которыми питаются эти автомобили.

Общеотраслевым стандартом измерения затрат на аккумуляторные батареи является стоимость киловатт-часа (стоимость / кВтч).Однако, хотя это останется важным показателем, существуют и другие факторы, влияющие на стоимость литий-ионных систем, которые автопроизводители должны учитывать при оценке потенциальных поставщиков. Один из наиболее важных, но часто упускаемых из виду атрибутов, которые следует учитывать, — это то, сколько полезной энергии дает батарея, что может оказать значительное влияние на стоимость батареи для приложений BEV и PHEV.

Полезная энергия 101
Часто поставщики ссылаются на «паспортную табличку» системы или общую энергию при указании стоимости / кВтч, но это может вводить в заблуждение, поскольку только часть емкости батареи может использоваться во время работы транспортного средства.Вместо этого автопроизводители должны учитывать свои затраты на полезную энергию, которая относится к количеству энергии аккумулятора, которое фактически может быть использовано в диапазоне состояния заряда (SOC).

Для легковых автомобилей аккумуляторы должны быть способны производить определенное количество разрядной (ускоряющей) и рекуперативной (тормозной) мощности в течение своего срока службы, что переводится в заранее определенное количество полезной энергии, необходимой для удовлетворения этих требований. Однако батареи имеют более низкую мощность разряда при низком SOC и более низкую регенеративную мощность при высоком SOC.Чтобы компенсировать это, автопроизводители должны увеличить размеры аккумуляторных батарей, развернув системы с паспортной мощностью, которая значительно превышает необходимую полезную энергию. Это гарантирует, что батарея может вырабатывать необходимую мощность и соответствовать требованиям по энергии и запасу хода.

Помимо возможностей разряда и рекуперации энергии, автопроизводитель и поставщик аккумуляторов должны выбрать рабочий период, который позволит аккумулятору соответствовать другим требованиям, включая срок службы и безопасность. Некоторые химические составы батарей не могут быть подвергнуты глубокому циклированию при большой глубине разряда (DOD).Уменьшая глубину цикла или DOD, можно продлить срок службы батареи.

Однако, хотя сужение рабочего окна позволяет увеличить количество циклов, это происходит за счет меньшего использования батареи. Например, оксиды марганца разрушаются при полной зарядке или полной разрядке, что сокращает срок службы батареи. Это происходит из-за химических реакций в материале катода (явление, известное как искажение Яна-Теллера) или с электролитом (окисление при высоком напряжении.) Большинство химических компонентов батарей имеют меньший календарный срок службы при высоких значениях SOC. Уменьшая максимальное значение SOC, также можно продлить срок службы батареи, создав более стабильную среду, которая гораздо менее подвержена разрушительным побочным реакциям.

Рис. 1. Идеальная аккумуляторная система должна иметь плоские кривые разряда и регенерации, которые следуют пунктирной линии, что соответствует требованиям к мощности автомобиля во всем диапазоне SOC. Синяя заштрихованная область представляет собой полезную энергию этой идеальной аккумуляторной системы, а оранжевая заштрихованная область представляет неиспользованную мощность аккумулятора.

Устойчивость к злоупотреблениям и соображения безопасности также могут ограничивать максимальный уровень заряда аккумулятора. Большинство химических элементов батарей более энергично при высоких значениях SOC, что делает их более склонными к катастрофическим сбоям, например, к тепловому разгону. Один из способов смягчить эту потенциальную проблему — не заряжать аккумулятор полностью, что снижает вероятность того, что аккумулятор окажется в ситуации перезарядки, которая может привести к катастрофическому отказу.
В примере, представленном на рисунке 1, транспортному средству требуется мощность разряда 25 кВт и мощность рекуперации 20 кВт в течение всего срока службы автомобиля, независимо от SOC или степени заряда аккумулятора.Идеальная система ионно-литиевых батарей могла бы удовлетворить эти требования к питанию при любом заданном SOC, от 0 процентов (пустой) до 100 процентов (полный), и имела бы плоские кривые разряда и регенерации, которые следуют за зеленой пунктирной линией. Синяя заштрихованная область представляет полезную энергию этой идеальной батареи, а оранжевая заштрихованная область представляет мощность батареи, которая остается неиспользованной, поскольку электродвигатель не предназначен для работы с ней. Наличие батареи с большей мощностью, чем может выдержать двигатель, не имеет значения, кроме как для защиты от возможной потери мощности в течение срока службы батареи.

Чтобы обеспечить постоянную производительность автомобиля и впечатления водителя с течением времени, автопроизводители обычно устанавливают требования к мощности аккумулятора, которые позволяют разряжать одинаковую мощность (или ускоряться с той же скоростью) независимо от SOC. Как отмечалось ранее, аккумуляторные системы имеют более низкую мощность при низком SOC, поэтому обычно аккумуляторные системы не могут поддерживать достаточно высокую выходную мощность, чтобы соответствовать этим минимальным требованиям к разрядке при более низком SOC. Для обеспечения стабильной работы транспортного средства устанавливается минимальное значение SOC, при котором батарея может соответствовать требованиям к мощности.При более высоком значении SOC, как уже отмечалось, автопроизводители обычно устанавливают более консервативный предел для учета потенциального срока службы батареи и последствий для безопасности.

Таким образом, при оценке потенциальных систем литий-ионных аккумуляторных батарей автопроизводителям следует искать аккумуляторы, которые сохраняют свои энергетические возможности в более широком диапазоне SOC (в зависимости от химического состава, используемого для производства аккумулятора), что позволяет использовать аккумулятор меньшей емкости. развернуты для удовлетворения их потребностей в полезной энергии.

Кроме того, батареи по своей природе со временем теряют мощность, что снижает количество полезной энергии, которую они вырабатывают, потому что диапазон SOC, в котором батарея может удовлетворить требования к мощности, становится меньше.Например, аккумулятор может изначально соответствовать требованиям к мощности транспортного средства от 25 до 70 процентов SOC, что означает, что примерно половина энергии аккумулятора используется во время работы. Со временем, по мере того, как он теряет мощность, та же самая батарея может удовлетворить потребности транспортного средства в мощности только от 30 до 70 процентов SOC, что снижает ее полезную энергию. Кроме того, работающие батареи со временем теряют часть своей общей энергии, что также снижает их полезную энергию. Поэтому автопроизводители должны учитывать деградацию, чтобы гарантировать, что они внедряют батареи, удовлетворяющие их потребности в полезной энергии на протяжении всего срока их службы.Альтернативой может быть замена батареи через определенное количество лет, но это дорого и неэффективно.

Рис. 2. Полезная энергия аккумулятора A (представленная оранжевой заштрихованной областью) больше, чем полезная энергия аккумулятора B (представленная синей заштрихованной областью), потому что аккумулятор A может выдерживать требования к разрядке и регенерации транспортного средства в более широком диапазоне SOC.

На рис. 2 показаны возможности разряда и регенерации двух разных аккумуляторных систем во всем диапазоне SOC, показанном на рис. 1.Полезная энергия каждой батареи — это диапазон SOC между точками, в которых кривая разряда и кривая регенерации соответствуют требованиям к мощности транспортного средства или превышают их. Как показано, батарея A предлагает гораздо больше полезной энергии, чем батарея B, поскольку она может выдерживать требования к разрядке и регенерации в более широком диапазоне SOC и в течение более длительного периода времени. В этом случае аккумулятор A намного ближе к идеальной ионно-литиевой системе, показанной на рисунке 1.

Итог: почему полезная энергия имеет значение
Понимание концепции полезной энергии как функции мощности разряда и регенерации в диапазоне SOC может помочь автопроизводителям определить общую стоимость литий-ионной аккумуляторной системы в течение ее срока службы.Например, разумно предположить, что 12 кВт-ч полезной энергии необходимо для поддержания требований к мощности разряда (25 кВт) и регенерации (20 кВт) в течение всего срока службы транспортного средства. Чтобы достичь этих 12 кВтч, необходимо использовать аккумулятор с большей полной энергией, чтобы компенсировать ограничения на нижнем и верхнем концах диапазона SOC, обсуждавшихся ранее.

Однако точный размер необходимой батареи зависит от химического состава. Некоторые литий-ионные системы предлагают большую полезную энергию, что позволяет автопроизводителям использовать аккумулятор с более низким энергопотреблением, указанным на паспортной табличке, что снижает стоимость.На рис. 3 показана полезная энергия для батареи A и батареи B как компонента энергии, указанной на паспортной табличке батарей.

Поскольку полезная энергия батареи B уменьшается по мере того, как она теряет мощность с течением времени (как показано на рисунке 2), автопроизводитель вынужден внедрять батарею большего размера для достижения 12 кВтч энергии, необходимой для поддержания требований к разрядке и регенерации (в данном случае В этом случае необходима батарея на 20 кВтч, потому что химический состав батареи дает 60 процентов полезной энергии).

Рисунок 3.Поскольку батарея A сохраняет свои возможности по мощности в течение более длительного периода времени, можно использовать меньшую батарею (в данном случае 14 кВтч) для достижения 12 кВтч энергии, требуемой автопроизводителем. Чтобы достичь тех же 12 кВтч с аккумулятором B, автопроизводитель должен использовать аккумулятор на 20 кВтч из-за его более низкой полезной энергии. В результате батарея A стоит меньше, чем батарея B, несмотря на более высокую начальную цену за киловатт-час.

И наоборот, батарея A сохраняет свои возможности по питанию в течение более длительного периода времени, что увеличивает ее полезную энергию (в этом случае можно использовать около 86 процентов энергии, указанной на паспортной табличке батареи).В результате автопроизводитель может обеспечить те же 12 кВтч энергии в течение более длительного периода времени, используя батарею меньшей емкости (в данном случае, систему на 14 кВтч).

При сравнении стоимости киловатт-часа энергии, указанной на паспортной табличке, батарея A более рентабельна, чем батарея B:
• Если батарея A стоит 600 долларов за киловатт-час, автопроизводитель заплатит 8400 долларов за аккумуляторную систему (600 долларов за киловатт-час * Аккумулятор на 14 кВтч = 8400 долларов).
• Если аккумулятор B стоит 500 долларов США / кВтч, автопроизводитель заплатит 10 000 долларов США (500 долларов США / кВтч * батарея 20 кВтч = 10 000 долларов США).

Другими словами, автопроизводители должны учитывать стоимость / кВтч полезной энергии вместо стоимости / кВтч энергии, указанной на паспортной табличке, чтобы определить истинную стоимость системы литий-ионных аккумуляторов. Из предыдущего примера, если автопроизводителю требуется 12 кВтч полезной энергии в конце срока службы батареи, то необходима батарея на 20 кВтч, использующая химический состав батареи B, поскольку она дает 60% полезной энергии. И наоборот, поскольку химический состав батареи A дает 86 процентов полезной энергии, автомобилестроителю нужна система с общей мощностью 14 кВтч, чтобы обеспечить те же 12 кВтч потребляемой энергии.Это можно использовать для расчета стоимости / кВтч полезной энергии:

• Если стоимость батареи A на паспортной табличке составляет 600 долларов США / кВтч, общая стоимость аккумуляторного блока составляет 8 400 долларов США. Это означает, что стоимость полезной энергии составляет 700 долларов США / кВтч (8 400 долларов США / 12 кВтч полезной энергии).

• Если стоимость батареи B на паспортной табличке составляет 500 долларов США / кВт · ч, общая стоимость аккумуляторного блока составляет 10 000 долларов США. Это означает, что стоимость полезной энергии составляет около 833 долларов США / кВтч (10 000 долларов США / 12 кВтч полезной энергии).

Таким образом, хотя аккумулятор B предлагает более низкую стоимость / кВтч для общей энергии, более крутые кривые разряда и регенерации по сравнению с SOC, присущие его химическому составу, вынуждают автопроизводителя развертывать систему с большей мощностью, указанной на паспортной табличке, для удовлетворения своих требований к полезной энергии.Аккумулятор A дает гораздо более высокую полезную энергию, позволяя автомобилестроителю установить пакет с меньшей общей мощностью, что в конечном итоге более рентабельно, поскольку автопроизводитель платит меньше за кВтч за энергию, которую система фактически будет использовать.

Еще одно преимущество внедрения аккумуляторных систем с большей полезной энергией заключается в том, что автомобили более экономичны. Если аккумулятор может выдавать требуемую мощность разряда электродвигателя при более низком SOC, система имеет большую гибкость в допустимом диапазоне SOC, что дает больше возможностей для зарядки аккумулятора с помощью механизма рекуперативного торможения.Эта повышенная топливная эффективность также способствует снижению общих затрат для потребителей.

Заключение
На стоимость BEV и PHEV влияет ряд факторов, но литий-ионные аккумуляторные системы, используемые для питания этих транспортных средств, представляют собой одну из лучших возможностей для снижения затрат. Поскольку поставщики конкурируют за снижение затрат, полагаться исключительно на метрику стоимости киловатт-часа часто вводит в заблуждение при сравнении батарей BEV и PHEV, если для этих расчетов затрат используется энергия, указанная на паспортной табличке.