Ток разряда аккумулятора li ion: Высокоточные аккумуляторы 18650 — какой максимальный ток разряда

Содержание

Нужна ли тренировка литиевых аккумуляторов? / Хабр

Прошло уже достаточно времени с тех времен, когда Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторы безраздельно властвовали в мобильных устройствах, но с самого начала эпохи Li-ion и Li-pol все не утихают споры по поводу того, надо ли «тренировать» эти аккумуляторы сразу после покупки.

Доходит до смешного, в теме обсуждения ZP100 на china-iphone всем новичкам рекомендовали в приказном тоне пройти 10 циклов зарядки-разряда, а только потом приходить с вопросами о аккумуляторах.

Давайте попробуем разобраться, имеет ли такая рекомендация право на жизнь, или это рефлексы спинного мозга (за отсутствием головного, наверное) некоторых индивидуумов, у которых они остались со времен никелевых батарей.

Текст может и наверняка содержит орфографические, пунктуационные, грамматические и другие виды ошибок, включая смысловые. Автор будет благодарен за сведения о них (конечно, в приват, а еще лучше с помощью вот этого замечательного расширения), но не гарантирует их устранение.

О терминологии

  • А (Ампер(A), или миллиампер — мА, микроампер — мкА) — значение силы тока в проводницеке. Может быть как большим, так и маленьким. Ток в 100А может сваривать листы железа, но взяв в руки провода от БП 5В 100А, вы ничего не почувствуете, потому что никаких 100А через вашу кожу не пройдет — сопротивление тела слишком большое для прохождения тока.
  • В (Вольт(V), или милливольт — мВ, микровольт — мкВ) — значение напряжения. Большое напряжение создаст длинную искру, но при маленьком токе источника вас только треснет, но никак не превратит в горстку пепла. Пример — статическое электричество, напряжения составляет до 10кВ, а токи мизерные.
  • Ом (Омы(Ohm), или килоом — кОм, мегаом — МОм) — значение сопротивление. Именно высокое сопротивление вашего тела (приблизительно 15 кОм) позволяет вам держать провода из первого пункта. Проходя по проводу, имеющему сопротивление (а все провода имеют сопротивление, и чем провод дальше из провинции китая тоньше, тем оно выше), напряжение падает на определенную величину, которая зависит от силы тока. Поэтому для обогревателя нужен толстый провод, а для лампочки — тонкий, хоть напряжение в обоих случаях 220В. Применительно к аккумуляторам и батареям (да и вообще ко всем источникам тока), можно говорить о внутреннем сопротивлении. Это сопротивление не даст вам получить большой ток за малое время, хотя аккумулятор при коротком замыкании очень к этому стремится — возникающая искра при замыкании клемм — это как раз несколько ампер тока при напряжении меньше вольта. Связано это с тем, что скорость ионов внутри аккумулятора не очень велика.
    Вязнут, бедняжки, по колено в полимере
  • Вт (Ватт(W), или милливатт — мВт, дальше вы поняли, да?) — в простейшем представлении, это мощность постоянного тока, вычисляемая умножением вольт на амперы. К примеру, БП ноутбука, который выдает 3А при напряжении в 20В, и лабораторный блок питания, выдающий 3В, при токе в 20А, отдадут в нагрузку одинаковую мощность в 60Вт. Потребят из сети они больше, из-за того, что их КПД не 100% — часть энергии перейдет в тепло.
  • Вт·ч (Ватт-час) — мера энергии. Из названия должно быть понятно, что 1 Вт·ч — это энергия, которую кто-то получит (или отдаст), принимая (или отдавая) мощность в 1Вт в течении часа. Или 60Вт в течении минуты. Вот тот БП выше, он как раз отдает каждый час 60Вт·ч. Вот это «правильная» емкость, которая не дает информации о самом аккумуляторе, но дает полное представление о его емкости.
    Еще есть киловатт-часы, кВт·ч — их пишут в квитанциях. Если оставить БП включенным, он выжрет энергии за месяц на 60Вт·ч*24*30 т.е. примерно на 43кВт·ч, или на 73 рубля. Разумеется, то, что выдает блок питания на выходе(те 20В и 3А) должен кто-то потреблять, ну и о КПД не забываем, это я упростил.
  • А·ч (ампер-часы) — Заряд. Общепринято, хоть и ошибочно называется емкостью. Почему ошибочно? Потому что без напряжения, по одной цифре 5А·ч нельзя ничего понять — это говорит лишь о том, что например аккумулятор может выдать ток в 5 ампер в течении часа. Или один ампер в течении 5 часов. А вот сколько будет выдано энергии в течении этого часа — зависит от напряжения питания и от прожорливости потребителя. Проще говоря, А·ч это Вт·ч, из которых выдрали вольты(Вт — В*А, если В убрать, останется А). Казалось бы, что может быть проще — на аккумуляторе написано 2А·ч, 3.7В, умножай 2 на 3.7, получай 7.4Вт·ч и радуйся. Но есть нюанс(с). Вот он:

    Это график разряда литиевого аккумулятора, на котором видно, что напряжение снижается к концу разряда. А это означает, что простое умножение А·ч на В (которое сработало бы в случае с блоком питания, выдающим стабильное напряжение), дает значение энергии с очень большой погрешностью. Для того, чтоб узнать, сколько ватт-часов в аккумуляторе, можно, например, построить график мощности (которую можно получить умножением мгновенных значений тока и напряжения) а потом найти площадь под кривой этого графика:

    Это сложнее, но зато в результате мы получаем ватт-часы.
  • xC — просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора. Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2*емкость аккумулятора)/h или (0.1*емкость аккумулятора)/h.
    К примеру, аккумулятор емкостью 720mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5*720mAh/h = 360мА
О чтении даташитов

В гугле был найден даташит на аккумулятор, состоящий из одной странички:


Расшифрую, что там написано.

Думаю, что такое

Nominal capacity

и

Minimum capacity

всем понятно — обычная емкость, и минимальная емкость. Обозначение 0,2 С означает что такой емкости он достигает, только если его разряжать током в 0.2 от его емкости — 720*0.2=144мА.


Charding voltage

и

Nominal Voltage

— Напряжение зарядки и напряжение работы тоже просто и понятно.

А вот следующий пункт уже сложнее — Зарядка.


Method: CC/CV

— Означает, что первую половину процесса зарядки надо поддерживать постоянный ток(он указан ниже, 0.5С стандартно — т.е. 350мА, и 1С максимально — 700мА). А после достижения напряжения на аккумуляторе 4.2в, надо установить постоянное напряжение, те же самые 4.2в.

Пункт ниже —

Standart Discharge

, Разряд. Предлагают разряжать током от 0.5С — 350мА и до 2С — 1400мА до напряжения 3в. Производители лукавят — на таких токах емкость будет ниже заявленной.

Максимальный ток разряда как раз и определяется внутренним сопротивлением. Но надо различать максимальный ток разряда и максимально-допустимый. Если первый может составлять 5А, и даже более, то второй жестко оговорен — не более 1,4А. Связано это с тем, что при таких больших токах разряда аккумулятор начинает необратимо разрушаться.

Дальше идет информация о весе и температуре работы: зарядка от 0 до 45 градусов, разрядка от -20 до 60. Температура хранения: от -20 до 45 градусов, обычно при заряде 40%-50%.

Время жизни обещают не менее 300 циклов(полный разряд-заряд током 1С) при температуре 23 градуса. Это не означает, что после 300 цикла аккумулятор выключится и больше не включится, нет. Просто производитель гарантирует, что 300 циклов емкость аккумулятора падать не будет. А дальше — как повезет, зависит от токов, температуры, условий работы, партии, положения луны и так далее.

О зарядке

Стандартный метод, которым заряжаются все литиевые аккумуляторы(li-pol, li-ion, lifepo, только токи и напряжения отличаются) это СС-CV, упоминавшийся выше.

В самом начале заряда поддерживаем постоянный ток. Обычно это делают схемой с обратной связью в зарядном устройстве — автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому.

Как только это напряжение становится равно 4.2 вольтам(для описываемого аккумулятора), больше поддерживать такой ток нельзя — напряжение на аккумуляторе возрастет слишком сильно(мы помним, что нельзя превышать рабочее напряжение у литиевых аккумуляторов), и он может нагреться и даже взорваться.

Но сейчас аккумулятор заряжен не полностью — обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток надо снизить.

Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим. При снижении этого тока до 30-10мА аккумулятор считается заряженным.

Для иллюстрации всего вышеописанного я

раскрасил в фотошопе

подготовил график заряда, снятый с подопытного аккумулятора:


В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8В до 4.2В. Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время — всего 30%

О технологии тестирования

В качестве подопытного был выбран вот такой аккумулятор:


К нему был подключен

Imax B6

(я писал про него вот

тут

):


Который сливал на компьютер информацию о заряде-разряде. Графики строились в LogView.

Потом я просто подходил раз в несколько часов и попеременно включал заряд-разряд.

О результатах

В результате кропотливой работы(а вы сами попробуйте тыкать зарядку на протяжении 2 недель) были получены два графика:


Как понятно из его названия, он показывает изменение емкости аккумулятора на протяжении первых 10 циклов. Она немного плавает, но колебания составляют около 5% и не имеют тенденции. В целом, емкость аккумулятора не изменяется. Все точки сняты при разряде током 1С(0.7А), что соответствует активной работе смартфона.

Две из трех точек в конце графика — показывают, как изменяется емкость при низкой температуре аккумулятора. Последняя — как изменяется емкость при разряде большим током. Об этом следующий график:


Показывает, что чем больше ток разряда — тем меньше энергии можно получить с аккумулятора. Хотя, вот хохма, даже на самом мизерном токе в 100мА аккумулятор по емкости не соответствует даташиту. Все врут.

Хотя нет, тест аккумулятора от Mugen Power на 1900mAh для Zopo ZP100 показал вполне честные почти-два-ампера:

А вот китайский аккумулятор на 5000mAh набрал всего 3000:

О выводах

  1. Тренировка литиевых аккумуляторов, состоящих из одной банки, бессмысленна. Не вредна, но тратит циклы работы аккумуляторов. В мобильных устройствах тренировку нельзя даже оправдать работой контроллера — параметры аккумулятора одинаковы, не меняются в зависимости от модели и времени. Единственное, на что может влиять недостаточный разряд — на точность показаний индикатора заряда (но не на время работы), но для этого достаточно одной полной разрядки раз в полгода.
    Еще раз. Если у вас плеер, телефон, рация, кпк, планшет, дозиметр, мультиметр, часы или любой другой мобильный девайс, использующий аккумулятор Li-Ion или Li-Pol(если он съемный, на нем будет написано, если он не съемный — то 99% это литий) — «тренировка» длиннее одного цикла бесполезна. Один цикл тоже, скорее всего, бесполезен.
    Если у вас аккумулятор для управляемых моделей, то первые несколько циклов надо разряжать малыми токами(малыми, хе-хе. Для них малые — это 3-5С. Это вообще-то полтора ампера на 11 вольтах. А рабочие токи там до 20С). Ну, кто пользуется этими аккумуляторами, тот знает. А всем остальным это не пригодится, разве что для общего развития.
  2. В некоторых случаях, при использовании батарей с несколькими банками полный разряд-заряд может увеличить емкость. В батареях ноутбуков, если производитель поскупился на умный контроллер батареи, который не балансирует банки в последовательном соединении при каждом заряде, полный цикл может увеличить емкость на следующую пару циклов. Происходит это за счет выравнивания напряжения на всех банках, что приводит к их полному заряду. Несколько лет назад мне попадались ноутбуки с такими контроллерами. Сейчас не знаю.
  3. Не верьте надписям на этикетках. Особенно китайским. В прошлом топике я приводил ссылку, в которой огромный тест китайских батарей не выявил ни одной, емкость которой соответствовала надписи. НИ ОДНОЙ! Всегда завышают. А если не завышают, гарантируют емкость только в тепличных условиях и при разряде малым током.
  4. Держите аккумулятор в тепле. Смарт в кармане джинс будет работать немного дольше, чем в наружном кармане куртки. Разница может составлять 30%, а зимой и того больше.
  5. Подписывайтесь на меня. Сделать это можно в моем профиле(кнопка «подписаться»).

Литиевые аккумуляторы — что нужно знать пользователю?

Циллиндрические Li-ion аккумуляторы сейчас становятся все более популярны. Они используются в фонарях, игрушках, страйкбольном оборудовании и электронных сигаретах. В статье мы раскроем наиболее частые вопросы, которые задают покупатели и пользователи техническим специалистам ТМ ROBITON.

Разнообразие литиевых аккумуляторов

На данный момент популярны и широко применяются 5 типов литиевых аккумуляторов. Различаются они катодным материалом – это оксиды кобальта, марганца, никель-марганец-кобальта, железо-фосфата, алюминия. В зависимости от катодного состава аккумуляторы имеют различные характеристики, основные из которых приведены в сравнительной таблице:

  ICR INR IMR NCR IFR
Материал катода LiCoO2 «LCO» Li(NiCoMn)O2 «NCM» LiMn2O4 «LMO» Li(NiCoAl)O2 «NCA» LiFePO4 «LFP»
Температурная безопасность 150*С 210*С 250*С 150*С 270*С
Токоотдача 1С, 2С 10С (продолжительно) -30С (5с) 25С(продолжительно) — 40С (2с)
Циклы 500 — 1000 1000 — 2000 300 — 700 >500 1000-2000
Макс ток заряда 0.7, 1С 0.7, 1С 0.7, 1С, 3С 0.7С 1С-4С
Максимальное напряжение 4.25В 4.25В, 4.35В 4.25В 4.25В 3.65В
Номинальное напряжение 3.6В, 3.7В 3.6В, 3.7В 3.6В, 3.7В, 3.8В 3.6В 3.2В, 3.3В
Минимальное напряжение 2.5В, 2.75В 2.5В 2.5В, допускается до 2.0В 2.5В, 2.75В 2.0В

В ассортименте торговой марки ROBITON представлены литиевые аккумуляторы всех 5 типов.

Плата защиты: защищенные и незащищенные аккумуляторы

Li-ion аккумуляторы чувствительны к глубокому разряду, а также к перезаряду и максимальному току, значения которых не стоит превышать. Пользователю достаточно проблематично соблюсти все условия. Например, если аккумулятор используется в фонаре, аккумулятор легко испортить, забыв выключить фонарь и подвергнув аккумулятор глубокому разряду. Крайне чувствительны они и к конечному  напряжению заряда. Поэтому существуют аккумуляторы с защитной платой. Она сама отключит банку от потребителя при достижении минимального напряжения, при превышении максимального тока или при достижении максимального напряжения. Наличие  защитной платы актуально для никель-кобальтовых аккумуляторов, никель-марганцевые IMR аккумуляторы в защитной плате не нуждаются.

Важные параметры – токоотдача, напряжение и количество циклов.

Токоотдачу, а также ток заряда принято выражать через «С» — емкость аккумулятора. Например, если аккумулятор имеет максимальную токоотдачу 2С, то для аккумулятора емкостью 2500мАч это составляет 5А (2*2500).

Высокотоковые IMR аккумуляторы

Аккумуляторы, которые могут отдавать токи 2С и более, обычно называют «высокотоковыми». Высокотоковые IMR аккумуляторы могут не только отдавать большие токи при сохранении стабильного напряжения, но и как правило имеют «безопасную химию», что означает их взрыво- и пожаробезопасность при значительном нагреве*. Такие аккумуляторы имеют меньшую емкость и меньший ресурс, чем аккумуляторы с «традиционной» химией и обычно не снабжаются защитной платой.  Если из высокотоковых IMR аккумуляторов собирается сборка, то на сборку устанавливается общая плата защиты, которая защищает аккумуляторы от глубокого разряда и перезаряда.

*Температурная безопасность — это максимальная температура, при которой не происходит взрыва, возгорания или деформации аккумулятора.

Температура эксплуатации, при которой аккумулятор сохраняет свои характеристики, как правило, значительно ниже и в среднем составляет  60*С.

Номинальное напряжение 3,6В и 3,7В.

Номинальное напряжение для литиевых аккумуляторов — это напряжение в средней точке разряда при 20-ти часовом разряде (см. график). У большинства аккумуляторов это напряжение составляет 3,6В или 3,7В. Существенной разницы между аккумуляторами с напряжением 3,6В и 3,7В при работе в большинстве устройств не наблюдается.

Количество циклов

Другой важной характеристикой является количество циклов заряд/разряд. Чаще всего под «количеством циклов» подразумевается количество, через которое емкость аккумулятора падает ниже 80% от начальное емкости. После этого аккумулятор конечно не «умирает», а продолжает работать, но емкость и максимальный ток у него снижают свои значения.

Количество циклов обычно указывается для определенных условий: ток заряда 0,2С, ток разряда 0,2С, комнатная температура. Если аккумулятор эксплуатируется при токах 1С и выше (что не редкость), либо при отличной от комнатной температуре, то количество жизненных циклов будет ниже.

Заряд

Литиевые аккумуляторы необходимо заряжать методом CC-CV — сначала постоянным током, затем постоянным напряжением. Если на стадии заряда постоянным напряжением превысить его всего на 4%, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Поэтому важно использовать специальные автоматические зарядные устройства для литиевых аккумуляторов.

Хранение

Аккумуляторы имеют саморазряд — это означает, что при хранении они с некоторой скоростью теряют свой заряд. Оптимальными условиями хранения являются: температура 0*C и уровень заряженности 40%.

Именно поэтому с производства аккумуляторы выходят заряженными на 40%, напряжение аккумулятора без нагрузки при этом находится на уровне 3,7-4,0В.

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года хранения аккумулятор безвозвратно (не путать с саморазрядом) теряет примерно 20% своей ёмкости.

Из этого следует, что нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться экономией.

Производители аккумуляторов

Крупные мировые производители аккумуляторов, такие как Panasonic, Samsung, LG и Sony не выпускают их как готовый продукт для розничной торговли, а поставляют их как комплектующие другим производителям. Некоторые из этих производителей добавляют свою защитную плату, некоторые только наклеивают поверх пленку со своим брендом и продают как свой товар — аккумулятор.

Добросовестные производители готовых аккумуляторов, такие как ROBITON использую банки от проверенных производителей, а также перед сборкой аккумулятора или его перепаковкой проверяют все параметры — отбраковывают старые аккумуляторы и на своей этикетке указывают реальную измеренную емкость.

 

Вопросы и ответы

Вопросы и ответы

1. Хотелось бы получить Вашу консультацию по вопросу циклирования аккумулятора при неполном разряде. Допустим мы разряжаем каждые сутки аккумулятор на 20% (от полностью заряженного состояния) и потом заряжаем его опять до полного в этот же день. Как такой режим скажется на его сроке службы? Как правильно оценить количество циклов? Не будет ли лучше с точки зрения времени жизни (циклов) гонять аккумулятор до почти полного разряда? Есть ли разница для различных температурных диапазонов?

Наша задача чтобы аккумулятор проработал максимальное время. А есть ли такой ограничивающий фактор как старение химии со временем?

Срок службы литий-ионных аккумуляторов зависит от степени использования емкости. Есть такой параметр DoD — глубина разряда. Данные о сроке службы обычно указываются для DoD 100%, т.е. полный разряд и полный заряд. С уменьшением глубины разряда срок службы растет по экспоненте. Например, при использовании аккумулятора на 90% количество циклов до падения емкости до 70% возрастает в несколько раз. При режиме частичного заряда-частичного разряда рекомендуется заряжать аккумулятор не более чем до 4.0 В/аккумулятор (Иногда 3.9 В) и разряжать его до 3.2 В. При этом используемая емкость аккумулятора будет порядка 60-70 % от номинальной, но срок службы вырастет до десятков тысяч циклов. Также имеет значение ток заряда. Все вышесказанное имеет силу, если ток заряда не превышает номинального (С/5)

Старение аккумулятора зависит и от температуры — хранить аккумулятор при температурах выше 30 градусов Цельсия не рекомендуется. Ускоренные испытания по сроку службы проводят при температурах +60 ..+70 градусов. Мы даем гарантийный срок в 1 год только потому, что мы не можем отследить соблюдение пользователем всех правил эксплуатации. Срок службы 10 лет  для герметичных аккумуляторов SAFT возможен, но не гарантирован. Как обычно со всеми аккумуляторами – проверка (измерение НРЦ и подзаряд, если напряжение ниже 3.4 В/элемент) один раз в полгода при складском хранении, или по эксплуатационным характеристикам при использовании и отбраковка непригодных.

2. Мы планируем использовать в нашей разработке аккумулятор MP 176065 xtd. На аккумуляторе есть надпись, что нам надо проконсультироваться по вопросу оптимизации заряда при отрицательных температурах. Не могли бы Вы предоставить данную консультацию

Пересылаю руководство по применению литий-ионных аккумуляторов «Li-ion Batteries – USER MANUAL — INSTRUCTIONS AND PRECAUTIONS OF USE». Там есть пункт, описывающий предельные условия заряда аккумуляторов SAFT при различных температурах. Этот пункт очень важен, поскольку превышение зарядного тока или заряд при температуре ниже допустимой приводит, в лучшем случае, к значительному снижению емкости, в худшем — к внутреннему короткому замыканию в аккумуляторе.

Для аккумуляторов серии XTD заряд при минус 40 недопустим. При минус 30 зарядный ток должен быть не более С/20 (280 мА), при минус 20 допустим ток заряда С/5 (1,1 А), ток 5А допустим только в диапазоне температур от 0 до плюс 60 градусов, выше плюс 60 градусов зарядный ток не должен превышать 1.1 А.

Практически зарядная характеристика при отрицательных температурах выглядит так: на первом этапе достаточно быстрый подъем напряжения до 4,2 В/элемент и далее длительный этап падающего тока при стабильном напряжении — порядка 12-14 часов до падения тока до уровня С/100 (50 мА) при этом аккумулятор берет 65-80 процентов от номинальной емкости.

3. Сегодня получили батарейки, очень расстроены. Заявленной ёмкости совсем не соответствуют, почему так?

Добрый день.

Входной и выходной контроль первичных элементов проводится по напряжению разомкнутой цепи (Open Circuit Voltage control) и по напряжению на нагрузке (Closed Circuit Voltage readings)

Для LS 14250 (14500) напряжение разомкнутой цепи должно быть не менее 3.625 В и не более 3.69 В.

При испытании под нагрузкой выбор сопротивления нагрузки определяется пунктом спецификации «Гарантированные минимальные величины», там же описаны продолжительность испытания и величина минимально допустимого напряжения на нагрузке.

Ваш метод испытания — током короткого замыкания элемента — просто приводит элемент в негодность. На всех фотографиях мультиметр включен на измерение тока, а не напряжения.

4. Прошу консультацию о «буферном режиме» литиевых АКБ

Здесь очень многое зависит от производителя батарей и следования его рекомендациям.

Для SAFT все описано в руководстве по применению.

В основном, для режима постоянного подзаряда ток заряда определяется минимальной температурой эксплуатации. Напряжение заряда определяется максимальной температурой эксплуатации. Например, для температурного диапазона от минус 20 до плюс 50 градусов  применение аккумуляторов INT 176065 недопустимо, требуются аккумуляторы типа INT176065 XC или XTD. Максимальный ток заряда в этом температурном диапазоне для XC и XTD — С/5 (1А), напряжение для XC — 4,0 В/элемент, для XTD — 4,2 В/элемент. Поскольку допустимый зарядный ток и ток питания аппаратуры обычно не соответствуют, ставят диодную или транзисторную развязку цепей заряда и разряда

5. LSH 20 – это исключительный брэнд принадлежащий Saft или это типовое название элемента, который может выпускаться другими компаниями- производителями?

LSH 20 – это уникальный брэнд, принадлежащий Saft. Любое использование этого брэнда является незаконным. Предприятия приобретающие контрафактные элементы LSH 20 будут привлекаться к ответственности в судебном порядке.

Информационное письмо SAFT
   Информационное письмо Бустер

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Речь пойдет именно о литий-ионных аккумуляторах, поскольку в большинстве современных мобильных гаджетов: в планшетах, в ноутбуках, в смартфонах и т. д. — установлены именно литиевые аккумуляторы. И если раньше можно было часто встретить никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые, то сегодня массово применяются литиевые.

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало, что и будет раскрыто далее по тексту. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литиевый аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус. Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий-ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий-ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам.

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно — повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

5. Иметь резервный аккумулятор.

Ранее ЭлектроВести писали, что ученые представили новый катодный материал для металл-ионных батарей. Об этом говорится в работе исследователей из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.

По материалам: electrik.info.

Аккумуляторы

Из литий-полимерных аккумуляторов можно выделить две основные группы — быстро-разрядные (Hi Discharge) и обычные. Отличаются максимальным разрядным током — его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой «С».

Быстро-разрядные литий-полимерные аккумуляторы называют «силовыми» — такие аккумуляторы применяются для питания устройств с высоким токопотреблением.

Принципы зарядки LI-PO Аккумуляторов:

Заряд большинства Li-Po аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму — от источника постоянного напряжения 4.20В/элемент с ограничением тока в 1С (некоторые модели современных силовых Li-Po аккумуляторов позволяют заряжать их током в 5С). Заряд считается законченным, когда ток достигает падения до 0.1-0.2С. До перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 1-2 часов. От зарядного устройства нужна точность поддержания напряжения в конце заряда — не хуже 0,01В/банку.

Из зарядных устройств можно выделить два основных типа — простые – 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и – 80-400$, предназначенные для обслуживания различных типов аккумуляторов.

Достоинство первых зарядных устройств — низкая цена. Главный недостаток — некоторые из таких устройств не умеет правильно определять окончание заряда. Они определяют лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость в мАч, которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор. При использовании зарядного устройства самое главное — правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.

Для литий-полимерных аккумуляторов все таки желательно применять «зарядку» именно для своего типа аккумуляторв.

Эксплуатация.

Литий-полимерные аккумуляторы самые прихотливые  из существующих, требуют строгово соблюдения правил:

Нельзя Перезаряжать аккумуляторы

Нельзя допускать короткое замыкание аккумулятора

НЕ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ПОВРЕЖДЯТЬ И НЕ РАЗРУШАТЬ УПАКОВКУ

Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или приводящим к нагреву Li-Po аккумулятора cвыше 60°С

Разряд ниже напряжения 3V на «банку»

Нагрев аккумулятора выше 60ºС

Хранение в разряженном состоянии

Невыполнение первых трех пунктов приводит к возгоранию, всех остальных — к полной или частичной потери емкости.

 Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок.

Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и контролировать ток, потребляемый устройством, в котором установлен Li-Po аккумулятор.

Необходимо быть уверенным, что ваше электронное устройство,в котором установлен аккумулятор не перегревается. При +70ºС в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть.

Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно «умрет» из-за переразряда.

Следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте его после работы.

Разгерметизация — так же причина выхода литиевых аккумуляторов из строя. Внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки) в результате удара, или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод — не ронять с большой высоты и паять аккуратно.

Хранить аккумуляторы, судя по рекомендациям производителей, следует в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температуре не выше 30°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы. Как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Были проведены сравнительные испытания на безопасность двух типов призматических литий-ионных аккумуляторов: с жидким и гель-полимерным электролитами (см. таблицу). При этом не принималось особых мер обеспечения безопасности аккумуляторов. Аккумуляторы испытывались проколом иглой, нагревом до 200 °С, коротким замыканием и очень высоким перезарядом (до 600 %). Как следует из таблицы, безопасность литий-ионных аккумуляторов с полимерным электролитом гораздо выше безопасности аккумуляторов с жидким электролитом.

Вид испытаний

Аккумулятор с гель-полимерным электролитом

Аккумулятор с житким электролитом

Прокол иглой

Не было изменений

Взрыв, дым, протечка электролита, повышение температуры до 250°С

Нагрев до 200°С

Не было изменений

Взрыв, протечка электролита

Ток короткого замыкания

Не было изменений

Протечка электролита, повышение температуры на 100°С

Перезаряд (600%)

Вздутие

Взрыв, протечка электролита, повышение температуры на 100°С

Батари на основе LI-PO аккумутятров:

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква Р (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, a S (serial) — последовательно. Пример — «1500 3S2P» обозначает батарею, соединенную последовательно из трех пар аккумуляторов, и каждая пара образована двумя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500мАч, т.е. емкость батареи будет 3Ач и напряжение — 11,1V.

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы, особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую и зарядный ток может превысить значение 1C. Желательно, все купленные банки перед соединением разрядить до 3V током около 0.1- 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации нельзя добавлять новые банки последовательно старым — батарея будет при этом разбалансирована.

Нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей –и использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей — различное внутренне сопротивление приведет к разбалансировке батареи.

При пайке нельзя допускать перегрева выводов — это может вывести из строя элемент. Некоторые Li-Po аккумуляторы поставляются с уже припаянными к выводам кусочками текстолитовой печатной.

При больших зарядных токах (2 А и более) тонкие провода от зарядного устройства до батареи, а также подключение «крокодилами», а не штатными разъемами батареи к зарядному устройству приводит к паразитному падению напряжения в контактах и проводах, зарядному устройство раньше переходит в режим стабилизации напряжения, что увеличивает время заряда.

Необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи.

Не стоит полностью сажать аккумулятор — это может разрядить самую слабую в сборке ниже 3В, из-за чего она еще больше потеряет емкость

Современные зарядные устройства имеют встроенные балансиры (balancer), которые позволяют заряжать все элементы в батареи отдельно под чётким контролем. Если зарядное устройство не оборудовано балансиром, то его необходимо приобрести отдельно и заряд аккумуляторов желательно производить с его использованием.

Внешний балансир —  это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17-4.19V. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17V балансир замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством определения «плохих» элементов в батарее.

Вышесказанное относится к батареям, составленных из трех элементов и более, всех «Литий» типов.

Вредно хранить батарею в переразряженном состоянии.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50°С (при 0°С сохраненяется 80% емкости аккумулятора). Но тем не менее, использовать Li-Po аккумуляторы при отрицательных температурах, около-10…-15°С, можно. Дело в том, что не нужно перед использованием морозить батарею. А в процессе использования внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Значит касательно электровелосипеда – подходят динамические зимние поездки.=)

Что касается хранения – тут действуют те же принципы что и в Li-ion аккумуляторах.

 С использованием материалов http://2a3a.ru.

Литий-ионные аккумуляторные батареи: применение, обслуживание, зарядка. 💥 Li-Ion, LiFePo4, LiPo.

Литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-Poly, Li-Po) и литий-железо-фосфатные батареи (LiFePo4, LFP) современные легкие и мощные батареи для всех видов техники, но что нужно о них знать?

Первые два типа батарей в большей степени получили свое применение в аккумуляторах для телефонов, фотоаппаратов, радиоуправляемых игрушкек, в носимых источниках питания, таких как power banks. Часто их применяют в пусковых устройствах для стартерных аккумуляторных батарей в виду их дешевизны.  Батареи данного типа не способны отдавать большой ток. Литий-железо-фосфатные или литий-ферум-фосфатные (LiFePo4) батареи нашли свое применение в источниках бесперебойного питания, так же их используют в мото и авто сегменте в качестве замены штатной стартерной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Такое применение в первую очередь связано с более высокой термической и химической стабильностью, возможность принимать и отдавать более высокий ток по сравнению с Li-Ion, Li-Po и свинцово-кислотными батареями. Рабочее напряжение LiFePo4 батарей имеет очень маленький диапазон, что приводит к практически постоянному напряжению разряда. Совокупность этих факторов делает LiFePo4 перспективной заменой обычных свинцово-кислотных батарей практически во всех возможных отраслях. Но пока цена является главным отталкивающим фактором.

Типичное применение LiFePo4 батарей – тяговые батареи для электрических автомобилей, гольф-каров, электрических самокатов и велосипедов, стартерные аккумуляторные батареи для мотоциклов и автомобилей, а также применение в источниках бесперебойного питания / оборудовании требовательного к стабильности напряжения.

 

Li-Ion, Li-Poly (LiPo)

Рабочее напряжение Li-Ion, Li-Po — 3В-4,2В. Возможен разряд вплоть до 2,8В, но дальнейшее снижение напряжения ведет к необратимому повреждению батареи.

Номинальное напряжение Li-Ion, Li-Po – 3,6-3,7В.

Полностью заряженная Li-Ion, Li-Po батарея – 4,2В, полностью разряженная – 3В.

Группа из 3ех ячеек в сумме будет иметь напряжение — 10,8В — 11,1В, группа из 4ех ячеек – 14,4-14,8В

Срок годности таких батарей, как правило составляет – 1000 циклов согласно IEC стандарту или 3 года со дня изготовления.

 

LiFePo4

Рабочее напряжение LiFePo4 -3В-3,6В. Возможен разряд вплоть до 2,8В, но дальнейшее снижение напряжения ведет к необратимому повреждению батареи.

Номинальное напряжение LiFePo4  – 3,2-3,3В.

Полностью заряженная LiFePo4 батарея – 3,6В, полностью разряженная – 3В.

Группа из 4ех ячеек в сумме будет иметь напряжение — 12,8В — 13,2В

Срок годности таких батарей, как правило составляет – 2000 циклов согласно IEC стандарту или 5-7 лет со дня изготовления.

Заряд литий-ионных (Liion), литий-полимерных (LiPoly) и литий-железо-фосфатных батарей (LiFePo4) от генератора автомобиля

Как видно из характеристик, батареи имеют разные номинальные напряжения, поэтому количество батарей в группе и суммарное напряжение группы батарей будет так же отличаться.

Так, сборка из четырех LiFePo4 батарей будет иметь номинальное напряжение 12,8 – 13,2В. Если взять те же 4 батареи, но LiIon или LiPo, то мы уже получим номинально 14,4В и зарядное напряжение будет 16,8В. У сборки из трех батарей напряжение зарядки будет 12,8В.

Таким образом, применение Li-Po, Li-Ion батарей для замены стартерных батарей исключено, т.к. напряжение генератора автомобиля 14,4В.

LiFePo4 батареи в свою очередь при номинальном напряжение 12,8В- 13,2В имеют напряжение зарядки 14,4В, что полностью соответствует выходному напряжения генератора автомобиля.

Заряд литий-ионных (Liion), литий-полимерных (LiPoly) и литий-железо-фосфатных батарей (LiFePo4) от внешнего зарядного устройства

По аналогии с генератором автомобиля не трудно догадаться, что применение обычного зарядного устройства для Li-Po и Li-Ion батарей опасно, т.к. для сборки из трех батарей, напряжение зарядки (14,4В) превысит допустимое напряжение группы батарей 12,6В. При зарядке сборки из четырех батарей – зарядка не будет полной, т.к. такую группу необходимо зарядить до 16,8В.

LiFePo4 аккумуляторную батарею, в отличии от Li-Po и Li-Ion батарей, можно заряжать от внешнего зарядного устройства, т.к. ее характеристики практически полностью дублируют характеристики свинцово-кислотных батарей (в части напряжения зарядки и номинального напряжения).

Правда, есть пара нюансов:

  1. На многих LiFePo4 батареях пишут Lithium Ion, без указания LiFePo4, что вводит людей в заблуждение. Если Вы сомневаетесь в том, к какому типу относится Ваша батарея, посмотрите полную спецификацию АКБ на сайте производителя.
  2. В LiFePo4  АКБ зарядка идет через специальную систему контроля состояния ячеек батареи, которая встроена в аккумулятор.  Данная система называется — BMS (Battery Management System)

 

BMS (Battery Management System) система батарей и зарядка от внешнего зарядного устройства

BMS – это электронное устройство, которые контролирует ток заряда и разряда батареи. Это устройство уже вмонтировано в батарею и может быть с простой логикой работы или более сложной. Простая логика работы – отключение зарядки по достижению заданного напряжения (полного заряда), более сложная логика заключается в непрерывном контроле состояния батареи, напряжения в каждой ячейке, температуры, в том числе может записывать лог работы батареи. Сложная BMS система может отключать батарею по перегреву, перезарядке и подобным событиям. BMS система может иметь защиту от глубокого разряда батареи, которая блокирует заряд, при снижении напряжения ниже порогового (2,8В-3В на ячейку) – UVP (under voltage protection).

Таким образом, в случае, если BMS система сработала по защите от глубокого разряда, обычное зарядное устройство не сможет разблокировать BMS и зарядить батарею. Для этих целей применяются специализированные зарядные устройство для LiFePo4 батарей, способные разблокировать BMS.

Помимо этого, профиль зарядного устройства должен быть CC/CV (Constant Current/Constant Voltage): заряд постоянным током, а затем при постоянном напряжении, ток снижается. Импульсы тока, повышение напряжения до 16В и выше для LiFePo4 батарей не допустимы. Применение десульфатирующих зарядных устройств запрещено.

Генератор транспортного средства имеет классический профиль CV поэтому зарядка от генератора возможна до тех пор, пока батарея не будет глубоко разряжена и не сработает защита.

При зарядке LiFePo4 батареи с сработавшей защитой необходимо быть крайне осторожным и контролировать напряжение и температуру батареи на протяжении всего процесса зарядки, ведь по сути идет процесс восстановления глубоко разряженной и возможно уже неисправной LiFePo4 батареи.

Современные зарядные устройства для LiFePo4 батарей имеют функции разблокировки BMS системы (BMS reset), могут автоматически контролировать температуру батареи, снижать силу тока по мере необходимости и прекращать заряд, если батарея в процессе зарядки не подала признаков жизни, что делает процесс восстановления и зарядки абсолютно безопасным.

Кулигин П.А.

Бэттери Сервис

 

Лучшие инструменты

Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Мельничук О. В. МеШch.uk O. V

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Фетисов В. С. Fetisov V S.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.355.9

ОСОБЕННОСТИ ЗАРЯДА И РАЗРЯДА ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМИ ПРОЦЕССАМИ

Статья представляет собой обзор методов и средств организации правильной работы литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, обеспечивающих их эффективную работу и длительный срок службы.

Рассмотрен классический алгоритм зарядки отдельной ячейки такого аккумулятора, включающий в себя три последовательные фазы: предварительную зарядку малым током для случая, если ячейка претерпела до этого глубокий разряд; зарядку постоянным током до уровня 4,2 В и зарядку постоянным напряжением при убывающем до минимума токе.

Описаны различные устройства для работы с литиевыми аккумуляторами: защитные контроллеры, которые предохраняют аккумулятор от опасных режимов работы в течение всего жизненного цикла и которые обычно встраивают в корпус аккумулятора; контроллеры зарядки, которые могут иметь различные схемы и алгоритмы работы, в частности для работы с отключением нагрузки при зарядке или без отключения. Описаны соответствующие специализированные микросхемы.

Особое внимание уделено обеспечению процессов заряда-разряда многосекционных литиевых батарей, в которых ячейки соединены последовательно. В этом случае важно поддерживать одинаковый уровень заряда всех ячеек во всех режимах работы. Для этого предназначены специальные устройства, выполняющие балансировку ячеек. Балансировка может быть пассивной или активной.

Пассивная балансировка заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных бай-пасных цепей, рассеивающих мощность. Отмечено, что такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла — это главный недостаток пассивного метода.

В активном методе балансировки для передачи энергии от более заряженных ячеек к менее заряженным используются реактивные элементы индуктивности, емкости или трансформаторы, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный, однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты.

В качестве примеров в статье приводятся описания применения конкретных типов микросхем различных производителей: Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics и др.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, литий-ионный аккумулятор, заряд, разряд, зарядное устройство, защитный контроллер, встраиваемый контроллер, пассивная балансировка, активная балансировка, многосекционная аккумуляторная батарея.

This paper is a review of methods and devices for arrangement of right operation of Li-ion or Li-polymer rechargeable batteries that provides additional duration and long life time of batteries.

SOME FEATURES OF CHARGING AND DISCHARGING

OF LITHIUM RECHARGEABLE BATTERIES AND CORRESPONDING UP-TO-DATE TECHNOLOGIES

OF CONTROL

The traditional algorithm of charging for single Li-ion cell is considered. Such algorithm includes 3 consecutive steps: preventive charging by small current if the cell was deeply discharged, charging by fixed current up to the level of the cell voltage 4.2 V, and charging by the fixed voltage at the descending current.

Various devices for the service of lithium batteries are described, such as PCM — embedded into the battery protection circuit module that protects a battery from dangerous operational modes during the whole life cycle; charging controllers that may be intended to provide the battery charging with connected or disconnected load. Corresponding specialized integrated circuits are described.

Specially the charging-discharging processes in multi cell batteries with series connection of cells are considered. It is important for such batteries to keep equal voltages of all cells in all modes of operation. Balancing of cells is implemented by special devices. Balancing may be passive or active.

Passive balancing is equalizing of cell voltages by means of shunt resistors dissipating active power. The main disadvantage of passive balancing is that dissipated energy transforms into useless heat. Such method is recommended for inexpensive devices.

Active balancing method is based on energy pumping from cells with redundant charge to cells with insufficient charge by means of reactive elements such as coils, capacitors, transformer. In such case no active energy losses. So active method is more effective than passive one though it requires to use more expensive components.

The paper contains many application examples for mentioned types of integrated circuits of such producers as Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics and others.

Key words: rechargeable battery, Li-ion accumulator, charging, discharging, charging unit, protection circuit module, embedded controller, passive balancing, active balancing, multi cell battery.

Введение

В настоящее время очень широкое применение в различных областях техники находят аккумуляторы на основе лития [1, 2]. Различные типы таких аккумуляторов используются почти повсеместно — от сотовых телефонов и мобильной компьютерной техники до мощных источников питания транспортных средств, таких как электромобили, беспилотные летательные и подводные аппараты [3]. Наибольшее распространение получили так называемые литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы (это традиционно сложившиеся названия; хотя по сути все литиевые аккумуляторы являются литий-ионными, сейчас же под литий-ионными понимают обычно аккумуляторы ранних разработок с жидким или гелевым электролитом, другие названия связаны с материалом или исполнением электролита или электрода) [4]. Кроме двух названных типов известно большое количество и других аккумуляторов на основе лития (например, для применения на транспорте серийно выпускаются литий-железофосфатные аккумуляторы [5]), но именно эти два подкласса по масштабам их производства значительно превосходят все остальные и имеют много общего как по выходным параметрам, так и в процессах заряда и разряда.ч/кг у основных конкурентов — никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов), выдерживают большие импульсные разрядные токи — 20-40С, обладают низким саморазрядом (1%/мес. против 20%/мес. у никель-кадмиевых). Серьезным преимуществом литиевых аккумуляторов является отсутствие «эффекта памяти», а также высокое значение электро-

движущей силы (ЭДС) единичной ячейки (3,6 В против 1,2 В у никель-кадмиевых).

Однако есть и некоторые технические проблемы, которыми сопровождается эксплуатация литиевых аккумуляторов. В первую очередь это относится к чувствительности этих аккумуляторов к глубокому разряду и чрезмерному перезаряду. Недопустим также перегрев или механические повреждения аккумуляторных ячеек. Невыполнение этих условий иногда приводит к возгоранию или взрыву аккумуляторов. Хотя в последние годы появились отдельные типы литиевых аккумуляторов, обладающих повышенной стойкостью к механическим повреждениям (например, литий-серные аккумуляторы [6]), они еще не выпускаются серийно, и проблема пока сохраняется.

Во многих случаях источники питания представляют собой не единичные аккумуляторные ячейки, а наборы таких ячеек (секций), соединенных последовательно в батареи, имеющие необходимое напряжение. В наибольших масштабах налажено массовое производство многосекционных батарей, имеющих от 2 до 6 секций. Для отдельных применений выпускаются многосекционные батареи, имеющие несколько десятков секций.

Особенности электрохимических процессов, протекающих в аккумуляторных ячейках, приводят к тому, что ячейки со временем начинают отличаться друг от друга по энергетической емкости и внутреннему сопротивлению, что приводит к разбалансу -неравномерному распределению напряжения по секциям. Впоследствии, если не принимать специальных мер, это может привести как минимум к снижению эффективности использования батареи (недоиспользования ее емкости), а в худшем случае к глубокому разряду или перезаряду отдельных секций, их перегреву и выходу из строя.ч.

Устройства контроля и управления процессами заряда-разряда в АКБ построены, как правило, на базе микроконтроллеров и специализированных микросхем. Эти устройства могут быть встроены в саму АКБ, либо во внешние сервисные блоки, например, в зарядные устройства. В автономных компьютерах управление зарядом-разрядом АКБ возлагается на специальную подсистему управления питанием.

1. Особенности процессов заряда-разряда отдельной ячейки литий-ионного аккумулятора. Специализированные встраиваемые контроллеры

Рассмотрим типовой алгоритм заряда ячейки литий-ионного аккумулятора (рисунок 1).

Условно весь процесс разбит на 3 фазы. Первая фаза, так называемый предварительный заряд, включается не всегда, а только в тех случаях, когда аккумулятор сильно разряжен. Если напряжение ячейки ниже 2,8 В, то ее нельзя сразу заряжать номинальным током заряда I : это крайне отрицательно скажется на сроке службы аккумулятора. Поэтому ячейку заряжают сначала малым током примерно до 3,0 В, и только потом — номинальным током. Во второй фазе зарядное устройство работает как источник постоянного тока. При этом напряжение аккумулятора постепенно растет до 4,2 В. Аккумулятор на данный момент заряжен примерно на 70 % своей емкости. Чтобы зарядить ячейку до значений емкости, близких к 100 %, необходимо перейти к третьей фазе: здесь зарядное устройство работает как источник постоянного напряжения. На этом этапе к ячейке приложено постоянное напряжение 4,2 В, а зарядный ток уменьшается от максимума до некоторого заранее заданного минимального значения. В тот момент, когда значение тока уменьшается до этого предела, заряд батареи считается законченным и процесс завершается.

Рассмотренный алгоритм заряда реализован во многих микросхемах, предназначенных для зарядных устройств односекционных литиевых батарей. Для примера рассмотрим контроллер заряда STC4054 компании ЗТМюгоексйотсв Г71.

и.в+

4.2

Предзаряд

0.1-1,

2 фаза: Постоянный ток 3 фаза: Постоянное напряжение

Рисунок 1. Типовой алгоритм заряда ячейки литий-ионного аккумулятора

Рисунок 2. Схема включения STC4054

Микросхема STC4054 выполнена в миниатюрном корпусе типа TSOT23-5L. Это позволяет использовать ее в мобильных устройствах с достаточно жесткими требованиями по массе и габаритам. Схема включения STC4054 представлены на рисунке 2.

Как видим, для включения требуется минимальное количество внешних компонентов — не требуются даже внешние MOSFET-транзисторы, вся обвязка ограничивается фильтрующим конденсатором на входе, программирующим резистором (программирует максимальное значение тока заряда) и индикаторным светодиодом. Кроме уже описанного алгоритма микросхема выполняет защиту от перенапряжения и перегрева. Если значение входного напряжения превышает определенный предел (в частности, 7,2 В) или если температура корпуса превысит величину 120 °С, то зарядное устройство отключается, защищая себя и аккумулятор. Реализована также защита от низкого входного напряжения — если входное напряжение опустилось ниже определенного уровня, то зарядное устройство также отключится.

Устройства, подобные описанному, предназначены, в основном, для построения отдельных зарядных устройств для АКБ, которые на время зарядки отделены от нагрузки. Если же это не так, то часть зарядного тока будет утекать в нагрузку, что в первой фазе зарядки (если аккумулятор сильно разряжен) может замедлить процесс зарядки или вовсе сделать его невозможным. Для избежания таких проблем необходимо предусматривать в схемах зарядки ключевые элементы, которые разделяют пути протекания токов зарядки и нагрузки. Такая технология используется при построении микросхем контроллеров многими фирмами [8]. Например, компания Maxim называет такую технологию SPS — Smart Power Selector, которая используется в микросхемах MAX8844, MAX8819, MAX8877 и некоторых других. Фрагмент схемы SPS приведен на рисунке 3. Ее основное назначение — обеспечивать бесперебойное питание нагрузки. Транзистор VT1 или полностью открыт, или используется как линейный регулятор выходного напряжения Vout (например, 4.4 В), т.е. используется для прямого прохождения тока от источника V. к нагрузке. Транзистор VT2 подключает к нагрузке аккумулятор. Если ток в нагрузке возрастает, и источник V. не может его поддерживать, то с помощью VT2 ограничивается ток зарядки аккумулятора.

Рисунок 3. Структура для раздельного управления токами зарядки и нагрузки

Несколько иное назначение имеют так называемые защитные контроллеры (PCM-Protection Circuit Module, или PCB-Protection Circuit Board), миниатюрные платы которых встраивают непосредственно в корпус аккумулятора (рисунок 4).

Рисунок 4. Ячейка аккумулятора с защитным контроллером

Они также основаны на специализированных микросхемах. В качестве примера приведем микросхему DW01-P производства фирмы Fortune Semiconductor (Тайвань) [9] (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема включения м/с DW01-P и плата контроллера на ее основе

Микросхема с помощью двух внешних MOSFET-транзисторов производит контроль и управление в ситуациях переразряда (OD-Overdischarge) и переза-

ряда (OC-Overcharge). Если напряжение на ячейке упадет ниже 2,5 В, то контроллер закрывает транзистор FET1 (но заряд при этом возможен через встроенный диод), а если оно будет выше 4,2 В, то закроется транзистор FET2 (но разряд при этом возможен через встроенный диод этого транзистора). Кроме того, контроллер закрывает FET1 при чрезмерном токе разряда. Величина тока разряда, а также наличие зарядного устройства определяется по падению напряжения на резисторе R2. Таким образом предотвращаются аварийные режимы работы. К клеммам BATT+, BATT- подключают нагрузку или зарядное устройство. Транзисторы FET1, FET2 входят в состав сборки TXY8205A [10].

Микросхемы PCM, подобные описанной, сейчас массово выпускают большое количество фирм. Причем среди них есть и контроллеры, предназначенные для защиты ячеек многосекционных батарей. Так, компания Seiko Instruments (Япония) выпускает целую линейку микросхем для PCM-контроллеров (S-8205, S-8253 и др.), ориентированных на различное количество секций [11]. От вышеописанных односекцион-ных PCM-контроллеров они отличаются только более сложными входными цепями для мониторинга каждой секции аккумулятора, но реакция на аварийные режимы для любой секции одна — отключается (от зарядного источника или нагрузки) вся батарея целиком.

2. Обеспечение заряда-разряда многосекционных литиевых батарей

Производители литиевых АКБ обычно комплектуют батареи из специально подбираемых близких по параметрам ячеек. Однако небольшие отличия в параметрах отдельных ячеек остаются, со временем они увеличиваются.

Во многих защитных и зарядных контроллерах полный заряд АКБ определяется по суммарному напряжению всей батареи последовательно включенных ячеек. Поэтому напряжение заряда отдельных ячеек может находиться в широких пределах, однако оно не может превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда (обычно 4,25 В). Однако в каком-нибудь слабом звене — ячейке с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением — напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных ячейках. Высокое напряжение такой ячейки после завершения заряда говорит об ее ускоренной деградации. При разряде на нагрузку такая ячейка будет быстрее других терять напряжение. Таким образом, при заряде на слабой ячейке может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные ячейки батареи еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов АКБ. То есть дисбаланс ячеек уменьшает время работы устройств без подзарядки и срок службы батареи.

Существуют два метода балансировки батарей — пассивный и активный [12]. Пассивный метод осуществляется за счет подключения в нужные моменты времени разрядных резисторов, шунтирующих

ячейки, а активный — за счет перетоков энергии между ячейками через реактивные элементы.

Известны и другие технические решения. Например, зарядку можно производить от одного источника после перекоммутации ячеек с последовательной схемы на параллельную, в которой ток заряда каждой ячейки можно регулировать отдельно. Возможно также использование зарядного устройства с гальваническими развязанными выходами для заряда всех последовательно соединенных ячеек, при этом ячейки подключаются к своему источнику непосредственно или через управляемые ключи [13]. Однако такие решения не получили широкого распространения из-за относительной сложности реализации.

Пассивная балансировка

Этот метод балансировки заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных байпасных цепей, рассеивающих мощность. Эти цепочки, параллельные ячейкам, могут быть интегрированы в корпус АКБ или помещаться во внешнем устройстве. Такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла — это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки.

Для реализации пассивного метода балансировки различными компаниями выпускается большое количество микросхем разных типов. Например, микросхема bq77PL900 от Texas Instruments [14], обеспечивающая зарядку с балансировкой и защиту АКБ с 5—10 последовательно включенными ячейками, широко используется в различных автономных устройствах. Сравнивая напряжение ячеек с установленными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 6 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо ячейки превышает заданный порог, заряд прекращается, подключается соответствующая байпасная цепочка. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение ячейки не снизится ниже порогового.

Очевидно, что некоторая разница в напряжениях секций (AVend) при описанном методе может остаться и после балансировки. Это вызвано конечным значением напряжения гистерезиса AVOVH , которое обязательно имеет место при регулировке. Кроме того, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления ячеек. Оно вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты не может определить, чем вызвана разбалан-сировка напряжений: разной емкостью ячеек или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все ячейки окажутся на 100 % заряженными. Несколько лучший результат балансировки обеспечивает микросхема bq2084 той же фирмы. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений bq2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество bq2084 — измерение и анализ напряжения всех ячеек, входящих в АКБ. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Микросхемы фирмы Texas Instruments семейства bq20zxx используют для определения уровня заряда свою особую технологию, названную Impedance Track, базирующуюся на определении напряжения и емкости ячейки. В этой технологии для каждой ячейки вычисляется заряд QNEED, необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница AQ между QNEED всех ячеек. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка ячейки до состояния AQ=0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений ячеек не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке АКБ.Vovh — гистерезис регулирования напряжения на ячейке

Рисунок 6. Действие пассивной балансировки

потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный. Однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты — катушки индуктивности, трансформаторы, конденсаторы. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы устройства без подзарядки.

В качестве примера микросхемы, реализующей активный метод балансировки, рассмотрим специализированный микроконтроллер от Texas Instruments bq78PL114, произведенный по фирменной технологии PowerPump, в которой применяются катушки индуктивности для передачи энергии. Технология PowerPump использует пару из n-канального и p-канального MOSFET-транзисторов и катушку индуктивности, которая расположена между парой секций АКБ. Схема показана на рисунке 7.

MOSFET и катушка образуют промежуточную вольтдобавочную цепь. Если bq78PL114 определяет, что верхней секции нужно передать энергию в нижнюю, на выводе P3S появляется импульсный сигнал (частота 200 кГц, скважность 30 %), разрешающий эту передачу. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней секции запасается в катушке. Когда ключ Р1 закрывается, энергия, запасенная в катушке, через обратный диод ключа Р2 поступает в нижнюю секцию. Потери энергии при этом незначительны.

При больших токах балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. Так, в случае балансировки АКБ ноутбука (токи балансировки 25—50 мА) можно достичь эффективности балансировки в 12—20 раз лучшей, чем при пассивном методе. При типичных значениях разбалансировки (менее чем 5 %) баланса можно

Mio

Кривая напряжения В переключающем узле

! i. !

1 I

I MV J 1

J ! 1 _

Ш.

Q1 OffTJn»7″ Ql Off Время, 1 мкеУдел

Рисунок 7. Перекачка энергии между секциями с помощью технологии PowerPump

Рисунок 8. Схема включения LTC3300-1

достичь за 1—2 цикла. Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы — при заряде, разряде, на холостом ходу и даже тогда, когда секция, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем секция, получающая энергию.

В качестве другого примера современного решения для реализации активной балансировки рассмотрим микросхему LTC3300-1 фирмы Linear Technology

[15] (рисунок 8). Ее особенность состоит в применении трансформаторов в качестве внешних перераспределяющих элементов. Она способна перераспределять энергию в батарее, содержащей до 6 последовательно соединенных ячеек литиевых аккумуляторов. При этом имеется возможность построения системы балансировки для высоковольтных батарей (с напряжением до 1000 В) на основе наращиваемого количества микросхем LTC3300-1, каждая из которых обслуживает свою группу ячеек. Применение этой микросхемы возможно как совместно с микросхемой контроля литиевых батарей LTC6803-1 этой же фирмы

[16], так и с другими устройствами контроля, в том числе и спроектированными самим разработчиком батареи. Эта легкость наращивания системы обуслов-

Список литературы

1. Learning the basics about batteries / Cadex Electronics Inc. — URL: http://http://batteryuniversity. com/learn/article/lithium_based_batteries.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / ed. by G.-A. Nazri, G. Pistoia(s.). — Springer, 2009.

3. Фетисов В.С., Тагиров М.И., Мухаметзянова А.И. Подзарядка электрических беспилотных летательных аппаратов: обзор существующих разработок и перспективных решений // Авиакосмическое приборостроение. — 2013. — № 11. — С. 7-26.

4. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Литий-ионные аккумуляторы. — Красноярск: Платина, 2002. — 268 с.

5. Rao M.C. Novel Cathode Materials for Rechargeable Batteries // International Journal of Science and Research (IJSR), Proceedings of National Conference on Advanced Technology Oriented Materials (AT0M-2014), 8-9th Dec., 2014, Rajahmundry. — Andhra Pradesh, India, 2014. — P. 11-13. — URL: http://www.ijsr.net/conf/ AT0M2014/AT0M2014_03.pdf.

6. Kolosnitsyn V.S., Karaseva E.V. Lithium-Sulfur Batteries: Problems and Solutions // Russian Journal of Electrochemistry. — 2008. — Vol. 44. — No. 5. — Р. 506509. — URL: https://www.researchgate.net/publication /225512575_Lithium-sulfur_batteries_Problems_and_ solutions.

7. Никитин А. Все для литиевых аккумуляторов: микросхемы STM для зарядных устройств и мониторинга батарей // Новости электроники. — 2013. — № 2. — С. 21-26. — URL: http://www.compel.ru/lib/ ne/2013/2/4-vse-dlya-litievyih-akkumulyatorov-mikro-shemyi-stm-dlya-zaryadnyih-ustroystv-i-monitoringa-batarey.

лена наличием цифрового интерфейса управления, аппаратно совместимого с SPI, и простого протокола обмена информацией. Подбирая для каждого конкретного применения внешние компоненты с различными характеристиками можно соответствующим образом варьировать характеристики разрабатываемой системы балансировки. В частности, применив мощные MOSFET-транзисторы, можно повысить ток баланса до 10 А.

Заключение

Управление процессами заряда-разряда литиевых АКБ — довольно сложная и ответственная задача. Однако на сегодняшний день она во многом облегчена благодаря наличию на рынке большого количества разнообразных микросхем, модулей и готовых изделий, которые предназначены специально для решения указанной технической задачи.

Среди производителей специализированных интегральных микросхем для контроля и управления зарядом-разрядом литиевых АКБ заметно выделяются такие фирмы как Texas Instruments, Linear Technology, Maxim Integrated Products, STMicroelectronics, Seiko Instruments, NXP Semiconductors.

8. Охрименко В. Интеллектуальные контроллеры зарядки аккумуляторов // Электронные компоненты. — 2011. — № 6. — С. 85-88.

9. DW01-P: One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC. Техническая информация компании Fortune Semiconductor Corp. — 2014. — URL: http:// www.ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P-DS-15_ EN.pdf.

10. Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора. — URL: http:// go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora. html.

11. Lithium-ion Rechargeable Battery Protection ICs. Техническая информация компании Seiko Instruments Inc. — 2016. — URL: http://www.sii-ic.com/en/semicon/ products/power-management-ic/lithium-ion-battery-protection-ic.

12. Рыкованов А., Беляев С. Активные и пассивные системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей// Компоненты и технологии. — 2014. — № 3. — С. 121-124.

13. Груздев А.И. Концепция построения систем контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей // Электрохимическая энергетика. — 2005. — Т. 5. — № 2. — С. 90-93.

14. Сихуа Вэн. Выравнивание параметров секций аккумулятора обеспечивает дополнительное время работы и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей//Компоненты TI: Бюллетень научно-технической информации. — 2011. — Вып. 2 (30). — С. 44-48.

15. LTC3300-1. Datasheet. Техническая информация компании Linear Technology Corp. 2013. — URL: http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf.

16. LTC6803. Datasheet. Техническая информация компании Linear Technology Corp. 2011. — URL: http:// cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.

References

1. Learning the basics about batteries / Cadex Electronics Inc. — URL: http://http://batteryuniversity. com/learn/artide/lithium_based_batteries.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / ed. by G.-A. Nazri, G. Pistoia(s.). — Springer, 2009.

3. Fetisov V.S., Tagirov M.I., Mukhametzyanova A.I. Podzaryadka elektricheskikh bespilotnykh letatel’nykh apparatov: obzor sushchestvuyushchikh razrabotok i perspektivnykh reshenii//Aviakosmicheskoe pribo-rostroenie. — 2013. — № 11. — S. 7-26.

4. Kedrinskii I.A., Yakovlev V.G. Litii-ionnye akkumulyatory. — Krasnoyarsk: Platina, 2002. — 268 s.

5. Rao M.C. Novel Cathode Materials for Rechargeable Batteries // International Journal of Science and Research (IJSR), Proceedings of National Conference on Advanced Technology Oriented Materials (AT0M-2014), 8-9th Dec., 2014, Rajahmundry. — Andhra Pradesh, India, 2014. — P. 11-13. — URL: http://www.ijsr.net/conf/ AT0M2014/AT0M2014_03.pdf.

6. Kolosnitsyn V.S., Karaseva E.V. Lithium-Sulfur Batteries: Problems and Solutions // Russian Journal of Electrochemistry. — 2008. — Vol. 44. — No. 5. — R. 506-509. — URL: https://www.researchgate.net/ publication/225512575_Lithium-sulfur_batteries_ Problems_and_solutions.

7. Nikitin A. Vse dlya litievykh akkumulyatorov: mikroskhemy STM dlya zaryadnykh ustroistv i monitoringa batarei // Novosti elektroniki. — 2013. — № 2. — S. 21-26. — URL: http://www.compel.ru/lib/ ne/2013/2/4-vse-dlya-litievyih-akkumulyatorov-mikroshemyi-stm-dlya-zaryadnyih-ustroystv-i-monitoringa-batarey.

8. Okhrimenko V. Intellektual’nye kontrollery zaryadki akkumulyatorov // Elektronnye komponenty. — 2011. — № 6. — S. 85-88.

9. DW01-P: One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Fortune Semiconductor Corp. — 2014. — URL: http://www. ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P-DS-15_EN.pdf.

10. Ustroistvo i printsip raboty zashchitnogo kontrollera Li-ion/polymer akkumulyatora. — URL: http://go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora.html.

11. Lithium-ion Rechargeable Battery Protection ICs. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Seiko Instruments Inc. — 2016. — URL: http://www.sii-ic.com/en/semicon/ products/power-management-ic/lithium-ion-battery-protection-ic.

12. Rykovanov A., Belyaev S. Aktivnye i passivnye sistemy balansa Li-ion akkumulyatornykh batarei // Komponenty i tekhnologii. — 2014. — № 3. — S. 121-124.

13. Gruzdev A.I. Kontseptsiya postroeniya sistem kontrolya i upravleniya vysokoenergoemkikh litievykh akkumulyatornykh batarei // Elektrokhimicheskaya energetika. — 2005. — T. 5. — № 2. — S. 90-93.

14. Sikhua Ven. Vyravnivanie parametrov sektsii akkumulyatora obespechivaet dopolnitel’noe vremya raboty i uvelichivaet srok sluzhby akkumulyatornykh batarei//Komponenty TI: Byulleten’ nauchno-tekhnicheskoi informatsii. — 2011. — Vyp. 2 (30). — S. 44-48.

15. LTC3300-1. Datasheet. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Linear Technology Corp. 2013. — URL: http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf.

16. LTC6803. Datasheet. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Linear Technology Corp. 2011. — URL: http:// cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.

Литиевые аккумуляторные батареи — Разработка электронных продуктов

Хорошие ресурсы

Батарейный университет

Напряжение литиевого элемента

От 3,0 до 4,2 В (напряжение элемента обычно указывается как 3,7 В)

Серийные аккумуляторные блоки:

2 ячейки последовательно: от 6,0 до 8,4 В (7,4 В тип.)

3 ячейки последовательно: от 9,0 до 12,6 В (тип 11,1 В)

4 ячейки последовательно: от 12,0 до 16,8 В (14,8 В тип.)

Не допускайте падения напряжения аккумулятора ниже 3.0 В, так как это может повредить аккумулятор

Максимальный ток разряда

Литиевые батареи часто имеют указанный максимальный ток разряда, скажем, 2 ° C, что означает, что их номинальная емкость в 2 раза больше их мАч. Например, аккумулятор на 120 мАч с максимальным током разряда 2С позволит вам потреблять только до 240 мА непрерывного рабочего тока. Это означает, что для приложений, в которых требуется высокий ток, но ограниченное время работы, вам может потребоваться выбрать батарею большего размера, чем вы хотели бы в идеале, чтобы вы могли получить необходимый вам непрерывный ток разряда.Для таких приложений, как ИБП, это может сделать литий не лучшим выбором по сравнению с батареями другого химического состава.

Общие примечания

Литий-ионные батареи могут иметь самые разные формы и размеры, чтобы эффективно заполнять доступное пространство в устройствах, которые они питают.

Литий-ионные батареи легче других эквивалентных вторичных батарей — часто намного легче. Энергия сохраняется за счет движения ионов лития. Литий имеет третье место по наименьшей атомной массе среди всех элементов, что дает батарее значительную экономию в весе по сравнению с батареями, в которых используются гораздо более тяжелые металлы.Однако большая часть электродов эффективно «вмещает» ионы и увеличивает вес, а кроме того, «собственный вес» электролита, токосъемников, кожуха, электроники и добавок для повышения проводимости снижает заряд на единицу массы до немногим более значительного. других аккумуляторных батарей.

Литий-ионные аккумуляторы не страдают эффектом памяти. У них также низкая скорость саморазряда примерно 5% в месяц по сравнению с более чем 30% в месяц в обычных никель-металлогидридных батареях (NiMH батареи с низким саморазрядом имеют гораздо более низкие значения; они все еще могут удерживать 85% своего заряда. , через год) и 10% в месяц в никель-кадмиевых батареях.

Уникальным недостатком литий-ионного аккумулятора является то, что его срок службы зависит от старения с момента изготовления (срока годности) независимо от того, был ли он заряжен, а не только от количества циклов зарядки / разрядки. Таким образом, старая батарея не прослужит столько же, сколько новая, только из-за ее возраста, в отличие от других батарей. Этот недостаток не получил широкой огласки.

При уровне заряда 100% типичный литий-ионный аккумулятор ноутбука, который большую часть времени заряжен при температуре 25 градусов Цельсия или 77 градусов по Фаренгейту, будет безвозвратно терять примерно 20% емкости в год.Однако аккумулятор, хранящийся внутри плохо вентилируемого ноутбука, может подвергаться длительному воздействию температур, намного превышающих 25 ° C, что значительно сократит срок его службы. Потеря емкости начинается с момента изготовления батареи и происходит даже тогда, когда батарея не используется. Различные температуры хранения приводят к разным результатам потерь: 6% потерь при 0 ° C (32 ° F), 20% при 25 ° C (77 ° F) и 35% при 40 ° C (104 ° F). При хранении при уровне заряда 40% — 60% эти значения уменьшаются до 2%, 4%, 15% при 0, 25 и 40 градусах Цельсия соответственно.

При определенных температурных условиях аккумуляторы имеют тенденцию к повреждению и иногда никогда не могут полностью зарядиться снова. В определенных ситуациях, когда температура слишком низкая (ниже рекомендуемой температуры батареи), батарея все еще будет удерживать свой заряд, но не может быть перезаряжена из-за низкой температуры. Это чаще всего встречается в небольших батареях, таких как сотовые телефоны и портативные устройства.

По мере старения батарей их внутреннее сопротивление возрастает.Это приводит к падению напряжения на клеммах под нагрузкой, уменьшая максимальный ток, который может быть от них снят. В конце концов, они достигают точки, при которой батарея больше не может работать с оборудованием, в котором она установлена, в течение достаточного периода времени. Для приложений с высоким энергопотреблением, таких как электроинструменты, может потребоваться, чтобы аккумулятор был способен обеспечивать ток (15 ч-1) C — 15 / час, умноженный на C — емкость аккумулятора в ампер-часах, тогда как для MP3-плееров может потребоваться только (0,1 час- 1) C (разрядка за 10 часов). Благодаря аналогичной технологии батарея MP3 может выдерживать гораздо более высокое внутреннее сопротивление, поэтому ее эффективный срок службы составляет гораздо больше циклов.

Литий-ионные аккумуляторы могут даже перейти в состояние, известное как глубокая разрядка. На этом этапе аккумулятор может заряжаться очень долго. Например, аккумулятор ноутбука, который обычно полностью заряжается за 3 часа, может заряжаться до 42 часов. Или состояние глубокого разряда может быть настолько серьезным, что аккумулятор никогда не вернется к жизни. Глубокая разрядка происходит только тогда, когда изделия с аккумуляторными батареями не используются в течение длительного периода времени (часто 2 или более лет) или когда они заряжаются так часто, что они больше не могут удерживать заряд.Это делает литий-ионные аккумуляторы непригодными для резервного копирования, где они могут полностью разрядиться.

Автономный литий-ионный элемент никогда не должен разряжаться ниже определенного напряжения, чтобы избежать необратимого повреждения. Поэтому системы литий-ионных аккумуляторов оснащены схемой, отключающей систему, когда батарея разряжается ниже заданного порогового значения. Следовательно, в правильно спроектированной системе не должно быть возможности глубоко разрядить аккумулятор при нормальном использовании. Это также одна из причин, по которой литий-ионные элементы редко продаются потребителям как таковые, а только как готовые батареи, предназначенные для конкретной системы.

Когда схема контроля напряжения встроена в батарею (так называемая «умная» батарея), а не в оборудование, она постоянно потребляет небольшой ток от батареи, даже когда батарея не используется. Батарею нельзя хранить полностью разряженной в течение длительного времени, чтобы избежать повреждения из-за глубокой разрядки.

Срок службы батареи Указатель уровня топлива

На литий-ионном элементе 3,8 В / элемент указывает на уровень заряда около 50%. Следует отметить, что использование напряжения в качестве функции измерителя уровня топлива неточно, потому что элементы, изготовленные разными производителями, дают немного другой профиль напряжения.Это происходит из-за электрохимии электродов и электролита. Температура также влияет на напряжение. Чем выше температура, тем ниже будет напряжение.

Важные примечания

Аккумулятор может вздуваться во время зарядки

Зачем нужна плата защиты для литий-ионных аккумуляторов?

Литий-ионный аккумулятор работает от 3,0 до 4,2 В. За пределами этого диапазона емкость, срок службы и безопасность батареи ухудшаются.Когда напряжение ниже 2,4 В, металлические пластины батареи будут разрушены, что может вызвать более высокий импеданс, меньшую емкость и короткое замыкание. Когда более 4,3 В, срок службы и емкость будут повреждены. Более того, кристалл лития будет расти, что в конечном итоге может вызвать внутреннее короткое замыкание и взрыв.

Почему в индустрии мобильных телефонов было зарегистрировано так много взрывов?

Когда для зарядки литий-ионного аккумулятора используется адаптер (а не зарядное устройство), безопасность аккумулятора в значительной степени зависит от платы защиты.Когда печатной плате не удается отключить заряд, может произойти взрыв. Хотя вероятность выхода печатной платы из строя очень мала (например, 1 из 1 миллиона), 350 миллионов новых мобильных телефонов в год могут помочь во многих случаях.

Какой максимальный ток разряда литий-ионного аккумулятора?

Около 1С для непрерывного разряда и 3С для мгновенного разряда. Но эти цифры можно изменить, перепроектировав аккумулятор.

Какова структура стоимости и основные функции платы защиты?

На плате защиты есть две ИС: ИС защиты и ИС переключателя.Ключевые функции включают защиту от перегрузки по току (включая короткое замыкание), защиту от перезарядки (ограничение максимального напряжения примерно до 4,25 В) и защиту от чрезмерной разрядки (ограничение минимального напряжения примерно до 3,0 В).

Рекомендации по продлению срока службы литий-ионных батарей

В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы следует заряжать рано и часто. Однако, если они не используются в течение длительного времени, их следует довести до уровня заряда около 40% — 60%. Литий-ионные аккумуляторы не следует часто полностью разряжать и перезаряжать («с глубоким циклом»), как никель-кадмиевые аккумуляторы, но это может потребоваться примерно после каждой 30-й зарядки для повторной калибровки любого внешнего электронного «указателя уровня топлива» (например.г. Счетчик состояния заряда). Это предотвращает показание указателя уровня топлива неправильного заряда аккумулятора.

Литий-ионные батареи никогда не должны разряжаться ниже минимального напряжения, от 2,4 до 3,0 В на элемент.

Литий-ионные батареи следует хранить в прохладном месте. В идеале они хранятся в холодильнике. Старение сказывается намного быстрее при высоких температурах. Высокие температуры в автомобилях вызывают быстрое разрушение литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы следует покупать только в случае необходимости, потому что процесс старения начинается сразу после изготовления аккумулятора.

При использовании портативного компьютера, работающего от стационарной сети в течение длительного времени, аккумулятор можно вынуть и хранить в прохладном месте, чтобы на него не влияло тепло, выделяемое компьютером.

Температура хранения и заряд

Хранение литий-ионной батареи при правильной температуре и зарядке имеют решающее значение для сохранения ее емкости. В следующей таблице показана величина необратимой потери емкости, которая произойдет после хранения при заданном уровне заряда и температуре.

Постоянная потеря емкости в зависимости от условий хранения

Температура хранения 40% заряда 100% заряда

0 ° C (32 ° F) 2% потеря через 1 год 6% потеря через 1 год

25 ° C (77 ° F) потеря 4% через 1 год 20% потеря через 1 год

40 ° C (104 ° F) 15% потерь через 1 год 35% потерь через 1 год

60 ° C (140 ° F) потеря 25% через 1 год 40% потеря через 3 месяца

Значительно выгодно избегать хранения полностью заряженной литий-ионной батареи.Литий-ионный аккумулятор, хранящийся с 40% -ным зарядом, прослужит во много раз дольше, чем аккумулятор со 100% -ным зарядом, особенно при более высоких температурах.

Температура

Максимальная температура заряда стандартной литиевой батареи: + 45ºC

Максимальная температура разряда и хранения типовой литиевой батареи: + 60ºC

Максимальная температура не является ограничением безопасности, так как батареи проходят испытания при температуре до + 130 ° C в рамках испытаний UL, чтобы гарантировать отсутствие теплового разгона или возгорания.Ограничение связано с падением производительности при более высоких температурах. В некоторых приложениях требуется рабочая температура + 70 ° C, и можно добиться от производителя согласия на использование ячейки при более высоких температурах 60 ° C, но, вероятно, с удалением гарантий на рабочие характеристики из таблицы данных. Вы также должны учитывать использование и любой самонагрев батареи, если ток разряда высокий. Такое же повышение температуры может быть применено и для зарядки, поскольку вы, вероятно, можете получить согласие на зарядку указанного элемента с температурой + 45 ° C при +55 ° C, но опять же со снижением производительности.Из-за самонагрева зарядки нельзя заряжать при более высоких температурах +60 / + 70ºC. Также имейте в виду, что саморазряд литиевых батарей намного выше при температуре + 30ºC.

Стандарты литиевых батарей

Литиевые батареи необходимо протестировать на соответствие UN38.3 в ЕС. Обычно при покупке одиночных литиевых батарей батарея уже проверена на это. Однако, если вашему приложению требуется специально изготовленный литиевый аккумулятор, вам нужно будет провести это тестирование, если это не было сделано производителем.Даже если пользовательский батарейный блок сделан из батарей, протестированных по стандарту UN38.3, процесс сборки их в новый блок с новой защитной платой и т. Д. Потребует повторного испытания. Это может показаться немного несправедливым, поскольку вы можете утверждать, что ваш новый пакет безопаснее из-за добавления новой дополнительной платы защиты, но это требование.

Тестирование на UN38.3 стоит около 4000 евро у многих компаний, но некоторые могут сделать это примерно за 1500 фунтов стерлингов (PMBL по состоянию на декабрь 2013 года), используя испытательную лабораторию на Дальнем Востоке и не увеличивая значительную наценку.Испытательный центр также потребует, чтобы несколько образцов аккумуляторных батарей были отправлены им для разрушающего тестирования, поэтому эту стоимость также необходимо учитывать.

Опасные грузы мощностью более 100 Втч!

Чтобы быть классифицированным как неопасный груз, литиевая батарея класса 9 должна быть <= 100 Втч (например, батарея 11,1 В, 9 Ач). Аккумулятор мощностью более 100 Вт · ч классифицируется как опасный груз, и если вам необходимо перевезти аккумулятор воздушным транспортом, вам необходимо найти перевозчика, готового принять его (вы не можете отправить его через стандартные службы авиаперевозок).Это не зависит от тестирования UN38.3.

Обратите внимание, что это ограничение распространяется только на одну заднюю батарею. Вы можете отправить несколько батарей 99 Втч, протестированных на соответствие стандарту UN38.3, в рамках стандартных услуг! Если вашему продукту требуется большая емкость, а литий является обязательным по сравнению с другими технологиями аккумуляторов, вы можете рассмотреть возможность использования нескольких съемных аккумуляторных блоков, каждый <100 Вт · ч, как способ избежать того, чтобы каждый отдельный аккумуляторный блок был классифицирован как опасный товар. Хорошим примером этого является транспортировка литиевых батарей, когда грузовому автомобилю разрешается перевозить ящики, полные ноутбуков, каждый со своей собственной батареей, даже если общая емкость батарей намного превышает 100 Втч.Подумайте также о самолете, многие пассажиры которого несут ноутбуки с литиевыми батареями большой емкости. Эти примеры не так просты, как кажется, из-за того, что оборудование, использующее литиевые батареи, классифицируется несколько иначе, чем просто транспортировочные коробки с литиевыми батареями, и вам нужно будет поговорить с вашим перевозчиком о требованиях, но на упрощенном уровне, если вы хотите провести эфир. При транспортировке аккумуляторов в обычном режиме вам необходимо выбрать размер отдельных аккумуляторных блоков <100 Вт · ч.

Использование нескольких литиевых аккумуляторных батарей

Например, предположим, что в вашем оборудовании используются съемные аккумуляторные батареи 2 x 99 Вт · ч, чтобы избежать классификации опасного продукта. Вы можете разряжать аккумуляторные блоки вместе, но при зарядке каждый аккумулятор необходимо заряжать отдельно.

Термистор заряда

Термисторы используются для зарядки для защиты от перезарядки и перегрева. Литиевые батареи можно безопасно заряжать только в указанном диапазоне температур.Это не просто диапазон температур окружающей среды: если аккумулятор был быстро разряжен, что привело к его нагреву, а затем был переведен на зарядку, термистор должен защитить зарядное устройство от возможности работы до тех пор, пока аккумулятор не остынет в достаточной степени. Термистор также добавляет уровень защиты, если аккумулятор слишком нагревается во время зарядки.

Литий-полимерные и литий-ионные

С точки зрения технологий, их главное отличие — упаковка аккумуляторов. Их положительный и отрицательный электроды имеют схожий химический состав.В литий-ионной технологии используется металлический корпус, чтобы ограничить расширение химических материалов в течение срока службы батареи. Литий-полимерный использует полимерные волокна для связывания химических материалов. Таким образом, он может использовать мягкие материалы для корпуса, такие как пластик или алюминиевая фольга. При толщине 3 мм или меньше литий-полимер имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм литий-ионный аккумулятор имеет больше преимуществ, особенно в цене.

Последовательное и параллельное соединение литиевых батарей

Последовательное соединение обычно используется там, где требуется более высокое общее напряжение батареи.

Параллельное соединение тоже подойдет. Как правило, рекомендуется попытаться ограничить количество параллельных ячеек 4-мя ячейками, но можно увеличить количество параллельных ячеек до 10 и более.

Последовательное и параллельное соединение также хорошо, когда вам нужно более высокое напряжение и большая емкость, если вы соединяете одинаковое количество ячеек для каждой последовательной секции. Важно, чтобы элементы были хорошего качества, чтобы характеристики элементов были одинаковыми, и настоятельно рекомендуется использовать специализированную компанию по производству аккумуляторов для создания таких типов аккумуляторных блоков, если вы сами не являетесь экспертом из-за присущих литиевым элементам опасностей. при неправильном использовании.

Ячейки строительных блоков, используемые для сборки более крупных батарейных блоков с параллельными элементами:

18650 — это стандартный строительный блок.

Зарядка литиевых батарей

ИС управления зарядкой широко доступны для одиночных батарей и для последовательно соединенных батарей.

Предпочтительный ток быстрой зарядки составляет 1С, а абсолютный максимальный ток — 2С (но сверьтесь с таблицей данных аккумулятора!). Например, аккумулятор на 500 мАч имеет предпочтительный ток быстрой зарядки 500 мА.

Обратите внимание, что из-за того, что большая часть цикла зарядки представляет собой постоянное напряжение, а ток заряда все время уменьшается, вы не можете рассчитать время зарядки, просто сказав, что зарядное устройство будет выдавать, скажем, ток заряда 2А — оно будет доставить это только в течение первая часть цикла. Это означает, что переход на действительно сильноточное зарядное устройство поможет только во время первой фазы зарядки, так как аккумулятор будет определять, какой ток будет потребляться во время второй фазы.

Однако учтите, что вам не нужно заряжать по тарифу 1С.Зарядка при гораздо меньшем токе — это нормально, все, что происходит, это то, что вы удлиняете фазу постоянного тока цикла зарядки. Хотя литиевые элементы несколько пугают тем, что неправильное использование может быть опасным, они также довольно просты в том, что для перезарядки вы просто кладете то же количество А, которое вы вынимаете. Проблема не в том, чтобы вставить его достаточно быстро, а в том, чтобы не вставлять его слишком быстро и быть очень осторожным, чтобы не вложить слишком много (перезарядка). Возьмем для примера литиевый аккумулятор 7,4 В 24,8 Ач (16 ячеек, соединенных в 2 серии, 8 параллельно):

Чтобы полностью зарядить батарею, нужно положить до 24.8Ач.

Допустим, у вас есть максимальное время зарядки 8 часов для этого. 24,8 Ач / 24 часа = ток заряда 3,1 А.
Чтобы обеспечить фазу постоянного напряжения, вы можете добавить немного больше тока заряда, чтобы убедиться, что все готово, или, может быть, нет, если вы не ожидаете, что батарея разрядится до минимальной емкости.

В этом примере вы можете выбрать, скажем, микросхему зарядного устройства 3A или 3,5A, а не решение для зарядки 24,8A со скоростью 1С! Это означает, что вы будете заряжать на C / 8.3 или C / 7.1 балл)

Точка отсечки постоянного напряжения часто составляет 4,2 В. Вы можете увеличить срок службы батареи, настроив решение для зарядки на переключение на постоянное напряжение при немного более низком напряжении (например, 4,1 В), если максимальная емкость не является основной задачей.

ПОЛЕЗНЫЙ?

Мы получаем огромную выгоду от ресурсов в Интернете, поэтому мы решили, что должны попытаться вернуть часть наших знаний и ресурсов сообществу, открыв многие внутренние заметки и библиотеки нашей компании через такие мини-сайты.Мы надеемся, что вы найдете этот сайт полезным.

Не стесняйтесь комментировать, если вы можете добавить справку к этой странице или указать проблемы и решения, которые вы нашли, но обратите внимание, что мы не предоставляем поддержку на этом сайте. Если вам нужна помощь в решении проблемы, воспользуйтесь одним из множества онлайн-форумов.

Разработка приложений с литий-ионными аккумуляторами — Управление батареями

Литий-ионные аккумуляторы

имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типы батарей:

  • легкий вес
  • Без эффекта памяти
  • По сравнению с никель-кадмиевыми батареями:
    • Удвоение плотности энергии обычно
    • В 6 ~ 8 раз меньше саморазряд
  • Высокое напряжение ячейки , равное 3.6 вольт часто бывает достаточно для питания приложений от одной ячейки.

Эти свойства делают Li-Ion аккумуляторы очень популярными в современных портативных устройствах. электронные приложения. При разработке приложений с литий-ионными элементами важно понимать характеристики аккумулятора во время зарядки и разрядки для обеспечения безопасного применения и наилучшего время автономной работы.

Емкость аккумулятора

На рисунке 1 показано несколько типов литиевых элементов, используемых в разных приложений с емкостью от 200 мАч до 2800 Ач.Стандарт В литий-ионных аккумуляторах обычно используется жесткий корпус, а в литий-полимерных. часто используют гибкую пленку или мешочек для ячеек, что уменьшает размер и вес.

На рисунке 2 показаны типичные кривые разряда литий-ионного аккумулятора емкостью 2000 мАч. аккумулятор, из полностью заряженного (4,2 В) до полностью разряженного (3,0 В) состояния. Скорость разряда выражается как отношение емкости аккумулятора (C). При больших токах разряда емкость аккумулятора не может быть использована полностью. и напряжение батареи упадет из-за внутреннего сопротивления батареи.

Одиночный литий-ионный элемент в качестве источника питания

При питании вашего приложения от одной литий-ионной батареи приложение диапазон ввода должен учитывать колебания напряжения батареи, которые для большинства литий-ионных аккумуляторов колеблется от 4,2 В при полной зарядке до 3,0 В. полностью разряжена.

Для большинства приложений потребуется регулировка напряжения в той или иной форме. Richtek предлагает широкий выбор LDO, доллар, повышение и повышающие понижающие преобразователи, которые могут работать от типичного диапазона напряжений литий-ионных аккумуляторных батарей и обеспечить стабильную выходное напряжение.

Общие указания по применению

Литий-ионные аккумуляторы

чувствительны к чрезмерной разрядке , поэтому многие элементы имеют встроенные схемы защиты от пониженного напряжения. которые отключают ячейку, когда ячейка разряжается ниже 2,5 В. Это Рекомендуется перезарядить аккумулятор или отключить аккумулятор от системы задолго до этой внутренней защиты батареи активирован.

Когда Li-Ion аккумуляторы не используются в течение длительного периода времени, он лучше разрядить их примерно до 40% (~ 3.7V), чтобы уменьшить их старение эффект.

High Rate Discharge 18650 Battery

✓ Температура — Высокая скорость разряда 18650 батарея будет стареть с ускоренной скоростью ниже 0 ℃ или выше 45 ℃ . Если вы используете аккумуляторы 18650 с высокой скоростью разряда в горячем состоянии, это, безусловно, вызовет преждевременное старение.

✓Зарядка и разрядка — Чтобы получить максимальный срок службы аккумулятора с высокой скоростью разряда, мы рекомендуем держать его в диапазоне 3.00В — 4,00В . Эта поездка требует определенных усилий, так как большинство аккумуляторов разряжаются до 2,75 В, , прежде чем потребуется подзарядка, а полностью заряжаются до 4,20 В .
Логика, лежащая в основе этого, заключается в том, что когда вы доводите элемент до предела его возможностей, это создает нагрузку на батарею. При тестировании батареи, хранящиеся в этом диапазоне, будут иметь вдвое больший срок службы.

✓Зарядное устройство — Чтобы максимально эффективно использовать аккумулятор 18650 с высокой скоростью разряда, вы всегда должны следить за тем, чтобы зарядное устройство автоматически выключалось после завершения зарядки .Также рекомендуется удалить батареи 18650 с высокой скоростью разряда из зарядного устройства после завершения зарядки. , так как многие зарядные устройства имеют функцию непрерывной дозаправки батареи, чтобы гарантировать, что она всегда находится на максимальной емкости. Такое постоянное доливание может привести к перегрузке аккумулятора и преждевременному старению.

✓Скорость заряда — На рынке есть зарядные устройства, способные заряжать 4А или даже 6А. Хотя это может быть очень удобно, имейте в виду, что быстрая зарядка может ускорить процесс старения, поскольку эти скорости создают дополнительную нагрузку на аккумуляторную батарею.Нормальный диапазон для зарядки аккумуляторов 18650 с высокой скоростью разряда составляет от 0,1 А до 3 А .

☞: Мы избегаем использования каких-либо номиналов импульсов, поскольку существует слишком много факторов, которые следует учитывать при импульсном режиме батареи, например, длительность импульса, время покоя между импульсами и температура батареи, чтобы точно сравнить две батареи. По этим причинам мы используем рейтинг CDR (Current Discharge Rate), который представляет собой текущую скорость разряда, при которой аккумулятор может непрерывно безопасно разряжаться без перегрева или повреждения элемента.

BU-402: Что такое C-rate? — Battery University

Посмотрите, как масштабируются скорости заряда и разряда и почему это важно.

Скорость зарядки и разрядки аккумулятора определяется коэффициентом заряда. Емкость батареи обычно оценивается в 1С, что означает, что полностью заряженная батарея номиналом 1 Ач должна обеспечивать 1 А в течение одного часа. Тот же аккумулятор, разряжающийся при 0,5 ° C, должен обеспечивать ток 500 мА в течение двух часов, а при 2 ° C — 2 А в течение 30 минут. Потери при быстром разряде сокращают время разряда, и эти потери также влияют на время заряда.

C-rate 1C также известен как одночасовая разрядка; 0,5C или C / 2 — это двухчасовая разрядка, а 0,2C или C / 5 — 5-часовая разрядка. Некоторые высокопроизводительные батареи можно заряжать и разряжать выше 1С при умеренной нагрузке. В таблице 1 показано типичное время при различных скоростях C.

или
C-rate Time

Таблица 1: C-rate и время обслуживания при зарядке и разрядке аккумуляторов емкостью 1 Ач (1000 мАч)

5C 12 мин
2C 30 мин
1C 1 час
0.5C или C / 2 2h
0,2C или C / 5 5h
0,1C или C / 10 10h
20h


Емкость аккумулятора или количество энергии, которое может удерживать аккумулятор, можно измерить с помощью анализатора аккумулятора. (См. BU-909: Оборудование для тестирования аккумуляторов.) Анализатор разряжает аккумулятор калиброванным током, одновременно измеряя время до достижения напряжения конца разряда.Для свинцово-кислотных аккумуляторов окончание разряда обычно составляет 1,75 В на элемент, для NiCd / NiMH — 1,0 В на элемент и для литий-ионных аккумуляторов — 3,0 В на элемент. Если батарея емкостью 1 Ач обеспечивает 1 А в течение одного часа, анализатор, отображающий результаты в процентах от номинального значения, покажет 100 процентов. Если разряд длится 30 минут до достижения напряжения отключения конца разрядки, то емкость аккумулятора составляет 50 процентов. Стоимость новой батареи иногда переоценивается, и ее емкость может превышать 100 процентов; другие недооценены и никогда не достигают 100% даже после заливки.


При разрядке батареи с помощью анализатора батареи, способного применять различные скорости C, более высокая скорость C приведет к более низкому показанию емкости и наоборот. При разрядке батареи 1 Ач с более высокой скоростью 2C, или 2A, в идеале батарея должна обеспечить полную емкость за 30 минут. Сумма должна быть такой же, поскольку одинаковое количество энергии распределяется за более короткое время. В действительности внутренние потери превращают часть энергии в тепло и снижают результирующую мощность примерно до 95 процентов или меньше.Разряд той же батареи при 0,5 ° C или 500 мА в течение 2 часов, вероятно, увеличит емкость до более 100 процентов.

Чтобы получить достаточно хорошие показания емкости, производители обычно оценивают щелочные и свинцово-кислотные батареи как очень низкие 0,05 ° C, или 20-часовую разрядку. Даже при такой низкой скорости разряда свинцово-кислотные батареи редко достигают 100-процентной емкости, так как батареи имеют переоцененные характеристики. Производители предоставляют компенсацию емкости для корректировки несоответствий, если она разряжается с более высокой скоростью, чем указано.(См. Также BU-503: Как рассчитать время работы батареи.) На рисунке 2 показано время разряда свинцово-кислотной батареи при различных нагрузках, выраженное в C-скорости.

Рис. 2: Типичные кривые разряда свинцово-кислотной кислоты в зависимости от C-rate.
Батареи меньшего размера рассчитаны на скорость разряда 1С. Из-за вялого поведения свинцово-кислотная кислота рассчитана на 0,2 ° C (5 часов) и 0,05 ° C (20 часов).


Хотя свинцовые и никелевые батареи могут разряжаться с высокой скоростью, схема защиты предотвращает разряд литий-ионного элемента питания при температуре выше 1 ° C.Ячейка питания с активным материалом из никеля, марганца и / или фосфата может выдерживать скорость разряда до 10 ° C, и порог тока устанавливается соответственно выше.

Батареи в портативном мире

Материал по Battery UIniversity основан на незаменимом новом 4-м издании книги « Batteries in a Portable World — A Handbook on Battery for Non-Engineers », которую можно заказать через Amazon.com.

Какова скорость разряда литиевых батарей? | Майк Лам | Battery Lab

Обычно приложениями, требующими высокоскоростной разрядки, являются гоночные или промышленные приложения, которым необходимо обеспечить мощную энергию для запуска оборудования за короткий период времени, например, модели RC, сельскохозяйственные дроны, гоночные автомобили, лифты и транспортные средства. Для всех батарей стартера от скачка напряжения требуются батареи с высокой скоростью разряда.

C-rate представляет собой скорость, с которой батарея обеспечивает энергию.Чем выше мощность, тем выше скорость разряда (C-rate). 1C означает, что аккумулятор полностью заряжен и разряжается в течение одного часа, 2C — 30 минут, и так далее 10C = 6 минут, 100C = 6 секунд.

Большинство пусковых устройств на рынке имеют разряд около 30 ° C или 35 ° C. Есть ли более высокий? В области гоночных моделей существует довольно много аккумуляторов с высокой скоростью разряда, которые непрерывно разряжают от 30 ° C до 50 ° C, и многие батареи будут иметь маркировку скорости разряда 75 ° C или даже 100 ° C, что может означать «Макс.скорость импульсного разряда », то есть разряд достигает этой скорости в течение нескольких секунд. Обеспечить движущую силу модели.

Однако в большинстве приложений такая высокая скорость разряда не требуется. Наши часто используемые устройства имеют максимальную скорость разряда около 1С. Обычно стандарт IEC (Международной электротехнической комиссии) на скорость разряда литиевых батарей составляет 1С. Например, ток разряда аккумуляторной дрели на 7,2 В составляет 500 мА (0,5 А), емкость аккумулятора — 3500 мАч (3.5Ah), поэтому C-rate (скорость разряда) составляет 0,5A / 3,5Ah = 0,14C, это означает, что дрель может работать около 7 часов.

Как правило, скорость разряда аккумуляторов мобильного телефона составляет 0,2 ° C, если аккумулятор 5 000 мАч (5 Ач), ток разряда составляет 0,2 ° C * 5 Ач = 1 Ач, что означает, что аккумулятор разряжается на 1000 мАч в час и может работать около 5 часов.

В случае рассмотрения только скорости C, непрерывный разряд, превышающий 5C, уже является высоким показателем. Насколько мне известно, в условиях импульсного разряда литиевая батарея может разряжаться до 150С.

Что касается аккумуляторов с высокой скоростью разряда, вы можете узнать о сериях литиевых аккумуляторов Grepow с высокой скоростью разряда, включая аккумуляторы LiPo и LiFePO4, просто нажмите здесь.

Следите за официальным блогом Grepow, и мы будем регулярно обновлять отраслевые статьи, чтобы держать вас в курсе последних событий в области производства аккумуляторов.

Grepow: https://www.grepow.com/

Блог Grepow: https://blog.grepow.com/

Разложение коммерческих литий-ионных элементов в зависимости от химического состава и условий цикла

Системы накопления энергии с литий-ионными батареями все чаще используются для поддержания надежной и отказоустойчивой сети и облегчения интеграции возобновляемых источников энергии.Однако соответствующий выбор ячеек для различных применений затруднен из-за ограниченности общедоступных данных, сравнивающих наиболее часто используемые готовые химические составы литий-ионных аккумуляторов при одинаковых рабочих условиях. В этой статье подробно описано многолетнее исследование цикличности коммерческого LiFePO 4 (LFP), LiNi x Co y Al 1 − x − y O 2 (NCA) и LiNi x Mn y Co 1 − x − y O 2 ячейки (NMC), меняющие скорость разряда, глубину разряда (DOD) и температуру окружающей среды.Сравнивались емкость и сохраняемая энергия разряда, а также эффективность в обоих направлениях. Даже при работе в соответствии со спецификациями производителя диапазон условий циклирования оказывал сильное влияние на деградацию клеток, при этом время достижения 80% емкости варьировалось на тысячи часов и количество циклов между ячейками каждого химического состава. Деградация клеток в этом исследовании сравнивалась с деградацией аналогичных клеток в предыдущих исследованиях, чтобы определить универсальные тенденции и обеспечить стандартное отклонение для производительности.Все файлы циклического режима стали общедоступными на сайте batteryarchive.org, недавно разработанном хранилище для визуализации и сравнения данных о батареях, чтобы облегчить будущие эксперименты и моделирование.

Это был доклад 605, представленный на заседании Общества в Далласе, штат Техас, 26–30 мая 2019 г.

Ожидается, что системы накопления энергии (ESS), состоящие из литий-ионных батарей, будут играть решающую роль в интеграции периодически возобновляемых источников энергии в электрическую сеть, а также обеспечивать резервное питание и повышенную отказоустойчивость. 1–3 Ожидается, что для приложений в электрической сети ESS прослужит десять или даже дольше. Типичная система MWh может содержать до 100 000 ячеек, собранных в блоки. Для обеспечения безопасности и надежности системы ячейки должны выбираться на основе требований конкретного приложения и характеристик производительности. Тем не менее, есть несколько сравнений популярных коммерческих ячеек в аналогичных условиях эксплуатации. В этой работе мы подробно описываем циклические характеристики коммерческих LFP (LiFePO 4 ), NCA (LiNi x Co y Al 1 − x − y O 2 ) и NMC (LiNi x ). Mn y Co 1 − x − y O 2 ) ячейки с форм-фактором 18650, в самом широком смысле такое сравнение должно быть представлено в рецензируемой публикации.

Таблицы спецификаций батарей

от производителей в первую очередь ориентированы на показатели безопасности, такие как пределы тока, напряжения и температуры, с ограниченной информацией о показателях производительности. Во многих публикациях в открытой литературе исследуются долговременные характеристики и старение коммерческих литий-ионных элементов, чтобы восполнить этот пробел. Имеются заметные недавние исследования для каждого химического состава — LFP, 4–11 NCA, 6,10,12–14 и NMC, 6,15–17 — при календарном, постоянном текущем цикле прямоугольной волны и старение рабочего цикла сети.Однако каждое из этих исследований обычно фокусируется на одном химическом составе в ограниченном подмножестве условий, чтобы понять влияние конкретной переменной, такой как температура, или возникновения определенных явлений разложения, таких как покрытие Li.

Кратковременные циклические характеристики 18 и калориметрия 19 для клеток, выбранных для настоящего исследования, были опубликованы ранее, и эта работа является частью более широких усилий Sandia National Laboratories по определению безопасности и надежности коммерческого Li. -ионовые клетки.В этом исследовании изучается влияние температуры, глубины разряда (DOD) и разрядного тока на долговременную деградацию промышленных элементов. Циклическое переключение проводилось с использованием прямоугольных импульсов постоянного тока, а не рабочих циклов сети, чтобы лучше понять вклад конкретных и простых циклических условий в процесс деградации. Были исследованы различные показатели для сравнения деградации ячеек, включая эквивалентное количество полных циклов, энергию разряда и эффективность приема-передачи.Деградация ячеек в этом исследовании сравнивалась с деградацией аналогичных ячеек в предыдущих исследованиях, чтобы обеспечить стандартное отклонение для производительности и облегчить принятие этих батарей с учетом данных.

Протестированные батареи

Коммерческие элементы 18650, исследованные в этой работе, были произведены следующими компаниями: LFP от A123 Systems (номер по каталогу APR18650M1A, 1,1 Ач), NCA от Panasonic (номер по каталогу NCR18650B, 3,2 Ач) и NMC от LG Chem. (Номер детали 18650HG2, 3 Ач). Эти три батареи были выбраны потому, что они включали электроды обычного состава и были произведены известными компаниями.В таблице I приведены дополнительные характеристики для каждой ячейки, включая рекомендуемые производителем рабочие пределы. Согласно данным оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES), элементный состав катода NMC — Ni 0,84 Mn 0,06 Co 0,1 (вариант NMC811, обогащенный никелем). Катод NCA, вероятно, представляет собой Ni 0,81 Co 0,14 Al 0,05 . Описание процедуры ICP-OES приведено ниже, а необработанные данные приведены в таблице SI (доступной онлайн в стеках.iop.org/JES/167/120532/mmedia).

Таблица I. Рабочие пределы коммерческих литий-ионных аккумуляторов формата 18650, указанные производителем.

Аккумулятор LFP NCA NMC
Номинальная емкость (Ач) 1,1 3,2 3
Номинальное напряжение (В) 3,3 3,6 3.6
Диапазон напряжения (В) 2 до 3,6 от 2,5 до 4,2 2 до 4,2
Максимальный ток разряда (A) 30 6 20
Допустимая температура (° C) от −30 до 60 0 до 45 от −5 до 50
Номинальная масса (г) 39 48,5 47

ICP-OES

Элементный состав катодов NCA и NMC был определен с помощью Avio 500 ICP-OES (Perkin Elmer), оборудованного концентрическим распылителем типа K1 и циклонной распылительной камерой с перегородками.Параметры прибора были следующими: RF-мощность 1500 Вт, 15 л-Ar мин. −1 поток плазмы, 0,7 л-Ar мин. −1 расход небулайзера и 0,2 л-Ar мин. −1 поток вспомогательного газа. . Перед анализом образцы активного материала на алюминиевом токоприемнике переваривали с использованием экстракционной системы Mars 6 (CEM Corporation). Микроволновое разложение проводили в две стадии, первая из которых заключалась в добавлении серной кислоты (5 мл) к 0,03–0,05 г катодного образца в тефлоновом сосуде для микроволновой печи.Образцы нагревали 0,5 ч до достижения температуры 260 ° C (максимальная мощность микроволн 1800 Вт) и выдерживали при этой температуре 0,25 ч. После охлаждения и сброса давления в тефлоновый сосуд добавляли соляную кислоту (3 мл) и азотную кислоту (3 мл), и второй цикл микроволнового разложения был завершен следующим образом: изменение температуры за 0,5 часа до 200 ° C (максимальная мощность микроволн, 1800 Вт). с последующей выдержкой при этой температуре в течение 10 мин. Затем образцы гидролизатов разбавляли до 50 мл. Затем эти гидролизаты разбавляли еще раз, добавляя внутренний стандарт иттрия.Образцы анализировали вместе со стандартными элементными эталонными материалами (Inorganic Ventures). Следующие линии излучения с поправкой на фон были выбраны для оценки из-за оптимальных характеристик: Li (670,784 нм), Ni (231,604 нм), Co (228,616 нм), Mn (257,610 нм) и Al (396,153 нм).

Велосипедное оборудование

Цикл старения проводился с использованием Arbin SCTS и высокоточной многоканальной системы тестирования батарей Arbin (модель: LBT21084). Отдельные элементы помещали в имеющиеся в продаже держатели батарей 18650 (устройства защиты памяти).Держатели были подключены к Арбину с помощью провода 18 калибра, а длина кабеля не превышала восьми футов, чтобы минимизировать падение напряжения. Во время цикла клетки помещали в камеры окружающей среды SPX Tenney Model T10C-1.5, в которых можно регулировать температуру от -73 ° C до 200 ° C. Термопару К- или Т-типа прикрепляли к коже каждой испытуемой ячейки с помощью каптоновой ленты для контроля температуры кожи ячейки.

Протокол циклического старения

В начале исследования полученные клетки помещали в термокамеры на день для уравновешивания с желаемыми циклическими температурами.Затем клетки были разряжены. Каждый цикл цикла состоял из проверки емкости, некоторого количества циклов при заданных условиях для этой ячейки и еще одной проверки емкости в конце (Схема 1). Проверка емкости состояла из трех циклов зарядки / разрядки от 0% до 100% SOC при 0,5 ° C (скорость 1 ° C соответствует току, который полностью разряжает аккумулятор за один час). 100% SOC определяется как емкость, полученная при зарядке постоянным током 0,5 ° C со спадом тока до 0.От 05 А до максимального зарядного напряжения, указанного производителем. Один и тот же протокол проверки емкости использовался для всех ячеек в исследовании.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Схема 1. Структура исследования циклического старения.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Цикл цикла для каждой ячейки варьировался от 125 до 1000 циклов, в зависимости от скорости деградации в конкретных условиях испытаний.Счетчик циклов для раунда уменьшался вдвое, если в предыдущем раунде потеря емкости ячейки превышала 5%. Эти корректировки были предназначены для обеспечения достаточной детализации кривой снижения мощности, чтобы можно было наблюдать любые изменения в механизме, сохраняя при этом разумную частоту проверок в течение почти трехлетнего исследования. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) проводилась с интервалами примерно 3% потери емкости, и эти результаты будут расширены в будущих публикациях.Для целей данной публикации исследование считалось завершенным, когда ячейка достигла 80% своей начальной емкости.

В программу езды на велосипеде было встроено несколько инструкций по прерыванию, чтобы избежать потенциально неблагоприятных условий для клеток. Цикл автоматически прекращался, если напряжение заряда или разряда элемента превышало 0,05 В за пределами диапазона напряжения, и если температура элемента когда-либо превышала указанную производителем температуру.

Условия исследования

Таблица II иллюстрирует комбинации температур, DOD и разрядных токов, исследованные в этом исследовании.Эти значения были выбраны в соответствии с планом эксперимента, чтобы охватить широкий диапазон параметров, рекомендованных производителем, и определить общую зависимость от каждой переменной. Для обеспечения повторяемости каждый тест проводился как минимум с двумя ячейками.

Таблица II. Матрица испытаний для всех химикатов a ) .

DOD, температура, скорость разряда b )
40% –60%, 25 ° C, 0.5C 0% –100%, 15 ° C, 1C 0% –100%, 15 ° C, 2C 40% –60%, 25 ° C, 3C
20% –80%, 25 ° C, 0,5 ° C 0% –100%, 25 ° C, 1C 0% –100%, 25 ° C, 2C 20% –80%, 25 ° C, 3C
0% –100%, 25 ° C, 0,5 ° C 0% –100%, 35 ° C, 1C 0% –100%, 35 ° C, 2C 0% –100%, 25 ° C, 3C

a) Условия цикла, указанные в тестовой матрице, применялись к ячейкам LFP и NMC.Ячейки NCA не подвергались никаким циклическим условиям, которые включали скорость разряда 3C, которая выходит за пределы установленных производителем ограничений по току для этой ячейки. b) Все ячейки были заряжены со скоростью 0,5 ° C.

Номинальные емкости ячеек использовались в качестве справочных для расчета C-коэффициентов. Все ячейки были заряжены со скоростью 0,5 ° C в соответствии с инструкциями производителя. В отличие от других элементов, элементы NCA не разряжались при 3 ° C, поскольку требуемый ток, 9 А, находится за пределами спецификаций производителя.Ячейки были циклированы при 40% –60% SOC с использованием протокола постоянного тока (CC), основанного на ограничениях емкости. Ячейки подвергались циклическому циклу при 20% -80% SOC с протоколом CC с использованием пределов напряжения, установленных из кривых разрядной емкости свежих элементов. Ячейки, циклически меняющиеся при 0% –100% SOC, заряжали с использованием протокола постоянного тока и постоянного напряжения (CCCV) со спадом тока до 0,05 А. Для режима 100% DOD ячейки LFP циклически изменяли от 2 до 3,6 В, ячейки NCA — от От 2,5 до 4,2 В, а ячейки NMC — от 2 до 4,2 В. В ходе исследования программы циклирования не корректировались, поскольку элементы состарились, а метки SOC основаны на кривых разряда из свежих элементов.

Общий анализ

Срок службы батареи зависит от сложных физико-химических процессов, на которые влияют многие рабочие параметры. В этом исследовании рассматривалось влияние трех переменных, которые легче всего контролировать во время работы: температуры, глубины разряда и скорости разряда. На рис. 1 и 2 ячейки сравниваются на основе их сохраняющейся емкости, пропускной способности энергии разряда и эффективности приема-передачи (RTE), оценок, которые полезны как для лабораторных исследований, так и для внедрения в полевых условиях.Рисунок 1 иллюстрирует сохранение разрядной емкости в зависимости от количества эквивалентных полных циклов (EFC) для всех ячеек в экспериментальной матрице, чтобы представить общую картину вызванного циклом старения. В этой работе один EFC основан на номинальной емкости ячейки. Следовательно, для каждой ячейки общая пропускная способность была разделена на номинальную мощность, чтобы получить общее эквивалентное количество полных циклов. Клетки LFP демонстрируют существенно более длительный жизненный цикл в исследуемых условиях: от 2500 до 9000 EFC против 250 до 1500 EFC для клеток NCA и от 200 до 2500 EFC для клеток NMC.Большинство клеток LFP не достигли 80% емкости к заключению этого исследования для клеток NCA и NMC, и их более длительная деградация будет сообщена в более поздней работе. Разброс данных для каждого химического состава указывает на то, что даже в пределах рабочих границ, указанных производителем, существует значительная зависимость от конкретных условий цикла. Независимо от условий тестирования, все клетки демонстрировали преимущественно линейную деградацию с несколько более быстрым исчезновением в начале и в конце цикла.Такое поведение согласуется с предыдущими моделями деградации литий-ионных аккумуляторов, которые предлагают три фазы уменьшения емкости 20,21 :

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. Сохранение разрядной емкости для всех ячеек LFP (синий), NMC (черный) и NCA (красный) относительно начальной емкости каждой отдельной ячейки. Кружки — это точки данных проверки емкости в конце каждого цикла цикла, а линии — ориентир для глаз.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. (a) Подсчет эквивалентного полного цикла (EFC) при 80% емкости для всех ячеек и условий цикла. Каждая полоса представляет собой средний EFC для всех ячеек, цикл которых выполнялся в этом состоянии. Значения для отдельных ячеек отмечены знаком «+». Если полоса не включает значения для отдельных ячеек, то эти ячейки еще не достигли 80% емкости, и указанный EFC экстраполируется на основе текущей скорости деградации для этих ячеек.(b) Суммарная энергия разряда при 80% емкости для всех элементов и условий цикла. Каждая полоса представляет собой среднюю энергию разряда для всех ячеек, работающих в этом состоянии. (c) Эффективность приема-передачи (RTE) для всех ячеек и условий цикла. Каждая полоса представляет собой среднее начальное RTE для всех ячеек, подвергшихся циклу в этом состоянии. RTE в конце исследования обозначен точкой. Если на полосе нет точки, значит, эти ячейки еще не достигли 80% емкости.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Фаза 1: Внезапное падение емкости по мере того, как Li расходуется во время формирования SEI

Фаза 2: Линейная деградация, обычно связанная с потерей запасов Li в побочных реакциях

Фаза 3: Быстрое снижение емкости при выходе из строя ячейки, часто связанное с увеличение импеданса

На рис. 2а показано, что EFC для каждой ячейки достигает 80% емкости при заданных условиях цикла.Хотя в сетевых приложениях емкость ячеек может превышать 80%, это значение является полезным эталоном, так как оно часто используется производителями в таблицах спецификаций для обозначения окончания срока службы. Для ячеек LFP, которые еще не достигли 80% емкости, срок службы был экстраполирован на основе текущей (линейной) скорости деградации. Среди трех химических составов нет универсальной зависимости от температуры, глубины разряда или скорости разряда. Ниже представлен более систематический анализ зависимости переменных.

Хотя EFC обычно является метрикой, по которой сравниваются батареи, совокупная энергия разряда может иметь большее значение для реализации в полевых условиях. EFC может маскировать различия в деградации, возникающие в батареях с разной емкостью и диапазонами напряжения. На рис. 2b показана кумулятивная энергия разряда для элемента при каждом наборе циклических условий при сохранении 80% емкости. Это значение было рассчитано путем суммирования энергии от каждого отдельного разряда ячейки. Различия в производительности между тремя химическими составами были минимизированы после того, как анализ учел более низкую емкость и напряжение ячеек LFP (см. Таблицу I).

Эффективность приема-передачи, еще один важный показатель технико-экономической оценки LiB, показана на рис. 2c. 22 RTE для цикла был рассчитан путем деления энергии разряда на энергию заряда. Для экономических оценок часто используется единый RTE; однако RTE существенно зависит от условий цикла, включая скорость заряда / разряда, температуру, SOC и время покоя. Ячейки LFP показывают более высокие значения RTE, чем ячейки NCA и NMC во всех условиях, хотя различия минимизируются при более низких скоростях разряда.Ячейки NCA проявили особую чувствительность к более высоким скоростям разряда, при этом RTE упали на 5–10% для увеличения скорости разряда с 1 ° C до 2 ° C при всех температурах. Уменьшение RTE во всех условиях цикла, когда клетки достигают 80% емкости, объясняется увеличением сопротивления клеток по мере роста слоя SEI.

Зависимость затухания емкости от переменных циклов

Температурная зависимость

На рисунках 3a – 3c показаны подмножества условий цикла для каждого химического режима, при котором менялась только температура печи (дополнительные графики на рис.S1). Скорость замирания емкости увеличивалась с увеличением температуры для ячеек LFP, но снижалась для ячеек NMC. Ячейки NCA не показали сильной температурной зависимости в исследованном диапазоне. Разные температурные зависимости предполагают разные доминирующие механизмы деградации. Хотя это и не наблюдалось в этом исследовании, переход между механизмами деградации в одной клетке был ранее задокументирован Waldmann et al. 23 График Аррениуса из их работы с ячейками 18650 NMC / LMO-графит воспроизведен на рис.4. При температуре ниже 25 ° C преобладающим механизмом старения является нанесение покрытия из лития, что подтверждается наблюдениями за металлическим литием. Осаждение Li на графитовый анод может происходить параллельно с интеркаляцией, когда потенциал анода падает ниже 0 В по сравнению с Li / Li + (чему способствуют такие факторы, как увеличение SOC, увеличение скорости заряда и более низкая температура). 24 При температуре выше 25 ° C преобладающим механизмом был рост SEI (твердоэлектролитная межфазная фаза), подтвержденный посмертными характеристиками толщины SEI на анодах и коррелировавший с увеличением сопротивления во всех ячейках.SEI образуется из продуктов разложения растворителя электролита и соли лития, реакция ускоряется при повышении температуры. 25 Предыдущие исследования температурной зависимости, возможно, не наблюдали перехода между двумя механизмами деградации в одной и той же ячейке, потому что они не рассматривали достаточно широкий диапазон температур.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 3. Падение разрядной емкости в зависимости от (a) — (c) температуры, (d) — (f) DOD и (g) — (i) скорости разряда для всех химикатов. Для каждого участка все условия, кроме интересующей переменной, не изменились. Символы — это точки данных проверки емкости по завершении каждого цикла цикла, а линии — ориентир для глаз. (а) — (в) при разряде 1С и 0% –100% SOC. (d) — (f) соответствуют разряду 0,5 ° C и 25 ° C. (g) — (i) находятся при 0% –100% SOC и температуре 25 ° C. Обратите внимание на разные конечные точки на осях x.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. График Аррениуса для скорости замирания емкости ячеек. Сплошные линии соответствуют линейной подгонке данных. Черный соответствует данным Waldmann et al., . 23 на ячейках 18650 NMC-LMO, циклически проходивших при 1 ° C в диапазоне температур от -20 ° C до 70 ° C.Данные настоящего исследования для ячеек, подвергшихся циклическому циклу при 0% –100% SOC со скоростью разряда 1С, показаны красным цветом для ячеек NMC и синим для ячеек LFP.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Данные об уменьшении емкости для ячеек NMC и LFP из настоящего исследования были подобраны в линейной области (после начального периода быстрого снижения емкости) для получения скорости старения как функции температуры. Сравнение с ранее опубликованными данными NMC-LMO показывает, что переломный момент между различными механизмами (точка минимальной деградации на рис.4) существенно зависит от химического состава (Таблица III). Например, предыдущие отчеты о циклическом старении ячеек LFP указывают на критическую точку при температурах от 5 ° C до 10 ° C, при этом скорость разложения увеличивается как выше, так и ниже этой температуры. 26 Исследования ячеек LFP, в которых учитывались температуры только выше 20 ° C, показали, что емкость уменьшается с увеличением температуры (в соответствии с настоящей работой). 27–29 Исследования клеток NMC неизменно указывают на критическую точку около 35 ° C.В одном отчете было обнаружено, что минимальное уменьшение емкости для ячеек NMC при циклическом старении следует за 35 ° C> 50 ° C> 25 ° C 16 , а несколько других обнаружили более низкую скорость исчезновения емкости при 45 ° C, чем 20 ° C. 17,30 В отличие от клеток LFP и NMC, клетки NCA не проявляли сильной температурной зависимости в диапазоне от 15 ° C до 35 ° C (рис. 3c). Такое поведение согласуется с предыдущей публикацией, в которой скорость снижения емкости коммерческих ячеек NCA увеличивалась ниже 25 ° C (из-за покрытия литием), но не изменялась значительно между 25 ° C и 60 ° C. 12 Исследование не включало характеристики материалов, чтобы объяснить отсутствие температурной зависимости, хотя авторы предположили, что производитель оптимизировал ячейку для работы при высоких температурах. Более недавнее исследование сопоставимых клеток NCA выявило немного более высокую деградацию при 25 ° C, чем при 60 ° C. 31

Таблица III. Резюме исследований, изучающих зависимость температуры, глубины разряда и скорости разряда в промышленных элементах (цилиндрический формат, если не указано иное).

Химия Номер ссылки Другие условия a ) Производительность b )
Температура (° C)
27 0% –100%, 1С / 1С 25> 40> 50> 60
28 год 0% –100%, 1C / 3C 25> 55
LFP 32 с ) 0% –100%, 1С / 1С 5> −5> 12> −20> 30
29 с ) 2.2–3,65 В, 1С / 1С 25 ~ 35> 45> 55> 65
эта работа 0% –100%, 0,5C / 1C 15 > 25 > 35
12 0% –100%, 0,5 ° C / 0,5 ° C 25 ~ 30 ~ 40 ~ 50 ~ 60> 20> 15> 5> 0
NCA 31 год 2,5–4,2 В, 0,64C / 0,64C 60> 25
эта работа 0 % –100%, 0.5C / 1C 15 ~ 25 ~ 35
23 0% –100%, 1С / 1С 25> 50> 60> 70 ~ 0> -10> -20
16 3,0–4,2 В, 0,5C / 1C 35> 50> 25
NMC 30 2,75–4,2 В, 1C / 1C 45> 20
17 различные 45> 20
эта работа 0 % –100%, 0.5C / 1C 35 > 25 > 15
Глубина разряда (% или В)
33 60 ° C, 0,5 ° C / 0,5 ° C 45–55 ~ 40–60 ~ 25–75 ~ 10–90 ~ 5–95
34 30 ° С, 1С / 1С 47,5–52,5> 20–80 ~ 0–100> 45–55> 35–65 ~ 25–75
LFP 7 40 ° С, 1С / 1С 45–55 ~ 25–75 ~ 0–100
эта работа 25 ° С, 0.5C / 1C 40–60 > 20–80 ~ 0–100
35 год 25 ° С, 1С / 1С 0–60 ~ 10–70 ~ 40–100> 0–100
NCA 36 c , d ) 40 ° C, 0,5 ° C / 0,5 ° C 3,4–4,0> 3,0–4,0> 3,0–4,1> 3,6–4,2> 3,4–4,2> 3,0–4,2> 3,0–4,3
37 30 ° С, 0.3C / 1C 40–60> 25–75 ~ 10–90> 0–100
эта работа 25 ° ° C, 0,5 ° C / 1 ° C 40–60 > 20–80 > 0–100
17 20 ° С, 1С / 1С 37,5–62,5> 0–100> 25–75> 10–90> 20–80 ~ 5–95
15 35 ° С, 1С / 1С 47.5–52,5> 45–55> 40–60> 25–75> 10–90 ~ 0–100
NMC 38 д ) 25/35/45 ° C, 0,33 ° C / 1 ° C 40–60 ~ 32,5–67,5 ~ 25–75> 17,5–82,5> 10–90> 0–100
39 д ) 25 ° C, 6C / 6C 0–20> 20–40 ~ 40–60 ~ 60–80> 80–100> 0–100
эта работа 25 ° С, 0.5C / 1C 40–60 > 20–80 > 0–100
Скорость разряда (C-rate)
40 25 ° C, 0% –100%, 0,5 ° C 0,04 ° C> 0,2 ° C ~ 0,5 ° C> C> 2 ° C
LFP 41 д ) 25 ° C, 2,5–3,7 В, 0,5 ° C 0,2C> 1C> 2C> 3C> 4C> 5C
эта работа 15/25/35 ° C, 0 % –100%, 0.5C 0,5C ~ 1C ~ 2C > 3C
NCA 42 25 ° C, 2,5–4,2 В, 0,5 ° C 2C> 1,5C
эта работа 15/25/35 ° C, 0 % –100%, 0,5C 2C > 1C > 0,5C
17 0% –100%, 1С 1C> 2C при 20 ° C; 1C ~ 2C при 45 ° C
NMC 38 д ) 35 ° C, 10% –90%, 0.33C 0,33 ° C ~ 1 ° C ~ 2 ° C
32 22 ° C, 2,75–4,2 В, 0,5 ° C 1С> 3С
эта работа 15/25/35 ° C, 0 % –100%, 0,5C нет систематической зависимости

a) Условия цикла остаются постоянными, перечисленные в следующем порядке: температура, глубина разряда, указанная как SOC или диапазон напряжения, и скорость заряда / разряда. b) Более высокая производительность соответствует более низкой скорости деградации. c) Некоммерческое. d) Пакет или призматический формат.

В то время как на температуру точки опрокидывания, безусловно, будут влиять другие условия циклирования, разница в 30 ° C в предпочтительных условиях для ячеек LFP и NMC имеет значение для передовых методов управления температурным режимом аккумуляторных батарей, а также для разработки точных моделей деградации. Многие модели предполагают оптимальную производительность при 25 ° C, а более высокие температуры только ускоряют образование SEI.Следует отметить, что приведенный выше анализ применим только к исследованиям циклического старения. Для исследований календарного старения в ячейках LFP, 6,9 NCA, 6 и NMC 6,15 емкость постепенно снижалась с понижением температуры. Покрытие Li может происходить только во время зарядки; таким образом, рост SEI является доминирующим механизмом деградации во время календарного старения, при этом повышение температуры ускоряет реакцию растворителя электролита и соли Li.

Зависимость от глубины разряда

Для всех ячеек в этом исследовании скорость уменьшения емкости возрастала с увеличением глубины разряда (рис.3d – 3f ) . Более сильное изменение объема графита во время (де) интеркаляции увеличивает напряжение и микротрещины. 17,43 Вновь образовавшиеся трещины делают возможной дальнейшую реакцию между электролитом и Li, что приводит к большему образованию SEI, потере запасов Li и снижению емкости. Некоторые исследования показали, что имеет значение только ширина окна напряжения. 35 В других случаях конкретное расположение окна напряжения было значительным, явление, которое по-разному приписывают:

  • (1)

    переход между стадиями графита (при определенных напряжениях) с разными параметрами решетки, усиливающими растрескивание и образование SEI, 15 или
  • (2)

    медленная диффузия лития при определенных напряжениях, приводящая к накоплению лития и разрушению частиц графита 36

Результаты настоящего исследования не могут быть использованы для устранения этого несоответствия в качестве средней точки. глубины разрядного окна не менялись.

По сравнению с ячейками LFP 7,33,34 , ячейки NCA 35–37 и NMC 15,17,38,39 испытали более резкий переход в уменьшении емкости от частичного к полному DOD, и этот результат в соответствии с предыдущими исследованиями. Этот переход можно объяснить более высокими рабочими напряжениями катодов из оксида металла (100% SOC соответствует 4,2 В для NCA и NMC по сравнению с 3,6 В для LFP), что может способствовать окислению электролита. 44,45 Отдельное исследование катодных полуэлементов LFP, заряженных до различных напряжений (с электролитом 1 M LiPF 6 при весовом соотношении EC: DEC 1: 1), показало оптимальную производительность при 3.9 В по сравнению с Li / Li + , без разницы в долговременной деградации цикла между максимальными напряжениями 3,6 и 4,2 В. 46 Эти результаты предполагают, что электрохимическое циклическое поведение катодов LFP, заряженных с разными верхними пределами напряжения, заслуживает дальнейшего исследования, так как результаты могут варьироваться в зависимости от производства элементов и состава электролита. Независимо от химии, в исследованиях календарного старения, уменьшение емкости последовательно увеличивалось с увеличением SOC, поскольку более низкие анодные потенциалы увеличивают восстановление электролита и включение Li в растущий SEI.Как и в исследованиях циклического старения, клетки NCA и NMC показали особенно быстрое снижение емкости при 100% SOC. 6

Зависимость от скорости разряда

Ожидается, что более высокая скорость разряда ускорит снижение емкости из-за увеличения нагрузки на электроды из-за быстрого изменения объема. 32,40,41 На рис. 3g – 3h , зависимость скорости разряда для ячеек NMC и LFP оказывается низкой. Однако для ячеек NCA уменьшение емкости уменьшалось с увеличением скорости разряда (рис.3i). Wei et al. наблюдали ту же тенденцию и объяснили это повышенным импедансом для ячеек, циклируемых при более низких скоростях разряда (физическое объяснение этого явления не было предложено). 42 Возможно, что более высокая скорость разряда может увеличить самонагрев элемента (Таблица SII), что приведет к повышению производительности; но клетки NCA не проявляли особенно сильной температурной зависимости. Также возможно, что более короткий период цикла необходим для полной разрядки (1 час для 1C против 0.5 ч для 2C) может минимизировать степень календарного старения в течение сотен циклов. На рисунке S2 показано уменьшение емкости относительно времени, затраченного на цикл, а не на EFC, а зазор между ячейками при разных скоростях разряда немного уменьшен. Неясно, почему на клетки NCA сильнее влияет скорость разряда, чем на другие химические соединения.

Дисперсионный анализ

Циклические данные дополнительно исследовали с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) для более точного количественного определения того, какие условия способствуют деградации.Это также позволило рассмотреть все ячейки сразу, в отличие от зависимости переменных в предыдущих разделах, где учитывались только систематические вариации отдельных переменных. Представляющая интерес выходная переменная,% начальной емкости, была измерена при разных счетах циклов в отдельных экспериментах. Следовательно, чтобы можно было сравнить% емкости при конкретном EFC с учетом интересующих факторов, для всех ячеек были выполнены регрессионные подгонки% емкости по сравнению с данными EFC. Иногда использовалась линейная или квадратичная подгонка, но в большинстве случаев лучше всего подходила кубическая подгонка.Интерполяция проводилась только в диапазоне реальных значений данных. Были подобраны общие линейные модели, и ANOVA был выполнен при 200 EFC (до того, как большая часть ячеек NCA и NMC достигла 80% емкости). Было обнаружено, что три из четырех индивидуальных факторов (химия ячейки, скорость разряда и диапазон SOC) являются значимыми для объяснения вариабельности в% емкости. Значения p из ANOVA (таблица SIII) ниже выбранного уровня значимости 0,05. Кроме того, было значительное взаимодействие между химией клеток и диапазоном SOC, а также химией клеток и температурой.Графики остатков (рис. S3) из этой подгонки модели показывают, что допущения о случайности, постоянной дисперсии и нормально распределенных остатках являются разумными. Кроме того, никаких тревожных закономерностей не наблюдается.

На рис. 5 показан график основных эффектов и взаимодействий для всех четырех факторов при 200 EFC, демонстрирующий важность отказа от общих выводов о зависимости переменных для различных химикатов. Для всех протестированных ячеек процент емкости не изменяется систематически в зависимости от скорости разряда и температуры (рис.5б, 5г). Химический состав клеток и диапазон SOC оказывают большее влияние на их соответствующих уровнях (рис. 5a, 5c). Например, при том же EFC ячейки LFP сохранили в среднем на 7% больше емкости, чем ячейки NCA, и на 9% больше емкости, чем ячейки NMC. Несколько факторов вовлечены во взаимодействие друг с другом. На рисунке 5f показано, что диапазон SOC влияет на% емкости для ячеек NCA и NMC аналогичным образом (на 5–10% ниже при 0–100%), но диапазон SOC мало влияет на емкость для ячеек LFP. Кроме того, температура влияет на% емкости для ячеек NMC и LFP в противоположных направлениях (рис.5г). Клетки NMC, вероятно, демонстрируют менее систематическую тенденцию между 15 и 35 ° C, потому что этот анализ учитывает все клетки при 25 ° C, циклически измененные при промежуточных SOC, тогда как на фиг. 3б и 4 сосредоточены исключительно на влиянии температуры.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Графики основных эффектов (a) — (d) и взаимодействий (e) — (g) для подгонки модели при 200 EFC. Средний% емкости относится к среднему значению для всех ячеек в указанных условиях при 200 EFC.Это значение получено из регрессионных подгонок% начальной емкости по сравнению с данными EFC, показанными ранее, поскольку% исходной емкости всех ячеек измеряли при немного разных количествах циклов в отдельных экспериментах.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Согласованность литературных данных о циклах

Модели разрушения аккумуляторных батарей и выводы о характеристиках конкретных химических компонентов часто основываются на единственном наборе данных. Чтобы проверить достоверность этого подхода, деградация клеток в этом исследовании сравнивалась с деградацией аналогичных коммерческих клеток 18650, исследованных в предыдущих исследованиях.На рис. 6 показана часть этих сравнений, остальные приведены на рис. S4. Данные о деградации клеток одного и того же производителя кажутся согласованными во всех публикациях, даже если они разделены несколькими годами (рис. 6b, 6c). Однако для ячеек от разных производителей иногда скорость разрушения одинакова (рис. 6e), а иногда нет (более чем трехкратная разница в количестве циклов до 80% емкости на рис. 6f). Эти различия предполагают, что прогноз срока службы, основанный на конкретной ячейке от конкретного производителя, не может быть широко экстраполирован даже на другие ячейки с таким же стандартным форм-фактором, химическим составом и емкостью.Незначительные различия в материалах, таких как состав электролита, могут существенно повлиять на срок службы батареи (хотя такой уровень детализации не будет доступен в базовой спецификации батареи). Эмпирические модели деградации батарей выиграют от включения больших наборов данных и отчетных значений со стандартным отклонением, чтобы дать пользователям лучшее представление об истинном сроке службы этих ячеек. Однако приведенный выше анализ, особенно сравнение в Таблице III, показывает, что даже несмотря на то, что точные сроки службы могут различаться, тенденции изменения зависимости в целом согласуются в пределах конкретного химического состава.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 6. Сравнение циклической емкости аккумуляторов в разных исследованиях. Для каждого графика указаны химический состав и условия цикла, указанные в виде DOD, температуры и скорости заряда / разряда. Для каждого набора данных указывается год публикации, производитель ячеек, емкость ячеек и количество ячеек, циклически проработанных при определенных условиях (если они указаны в исходной публикации).«NA» означает, что указанная информация недоступна. Линии являются ориентиром для глаз, а планки ошибок основаны на стандартном отклонении, когда были доступны данные для нескольких ячеек. Все ссылки на предыдущие исследования представлены в таблице III, за исключением Hayashi et al. 2014 47 в (c) и Paul et al. 2018 48 в (ж).

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Коммерческие литий-ионные аккумуляторы, основанные на химическом составе NMC, NCA и LFP, циклически менялись с изменяющейся температурой, глубиной разряда и скоростью разряда.Сравнивались емкость и сохраняемая энергия разряда, а также эффективность в обоих направлениях. Зависимость от каждой переменной цикла была проанализирована качественно, а также с помощью дисперсионного анализа. Ключевые выводы из этой работы:

  • (1)

    Даже в пределах рабочих диапазонов, указанных производителем, эквивалентное количество полных циклов при 80% мощности варьировалось до тысяч циклов в зависимости от условий.

  • (2)

    Ячейки LFP имели наивысший срок службы во всех условиях, но этот разрыв в производительности был уменьшен при сравнении ячеек в соответствии с пропускной способностью энергии разряда.Последняя метрика учитывала более низкую емкость и более низкое напряжение ячеек LFP, демонстрируя важность определения соответствующих показателей для каждого приложения.

  • (3)

    RTE может варьироваться до 10% среди свежих ячеек в зависимости от условий цикла и может уменьшаться более чем на 5% по мере старения ячейки. Клетки LFP обычно имели более высокие значения RTE во всех условиях, и для всех ячеек RTE последовательно снижалось с увеличением скорости разряда.

  • (4)

    На основании текущей работы и обзора предыдущих исследований коммерческих элементов, тенденции в зависимости температуры, глубины разряда и скорости разряда зависят от химического состава.Переменную зависимость в одном химическом соединении не следует широко экстраполировать на все литий-ионные батареи.

  • (5)

    В диапазоне температур от 15 ° C до 35 ° C скорость уменьшения емкости увеличивалась с повышением температуры для ячеек LFP, но снижалась для ячеек NMC, что указывает на различные доминирующие механизмы деградации. Эти результаты иллюстрируют значение изменения нескольких температур в пределах нормального рабочего диапазона, а не только экстремальные температуры. Разрыв в предпочтительных условиях для ячеек LFP и NMC имеет значение для управления температурным режимом батареи.Обзор литературы и полученные здесь результаты показывают, что ячейки LFP больше подходят для приложений с более низкими температурами.

  • (6)

    Ячейки NMC и NCA показали более сильную зависимость от глубины разряда, с большей чувствительностью к циклическому изменению полного диапазона SOC, чем ячейки LFP.

  • (7)

    Модели деградации батарей выиграют от включения больших наборов данных и отчетных значений со стандартным отклонением. Большинство моделей оценивается по единому набору экспериментальных данных, но сравнение данных деградации в этом исследовании с предыдущими коммерческими исследованиями клеточного цикла показывает, что вариации возможны даже в тех же условиях.

Дальнейшая работа будет включать в себя объединение электрохимических характеристик и характеристик материалов для определения происхождения различного срока службы, наблюдаемого в этом исследовании. Подмножество ячеек будет циклически проверено сверх 80% емкости для выявления причин и ранних предупреждающих признаков перехода от линейной деградации к быстрому исчезновению емкости.

Одна из основных трудностей при выполнении этого анализа заключалась в сравнении данных с ранее опубликованными результатами, которые обычно представлялись в виде графиков, а не сырых данных.Таким образом, batteryarchive.org был создан как репозиторий с возможностью поиска для удобной визуализации, анализа и сравнения данных о батареях в разных учреждениях. Все велосипедные файлы из настоящего исследования были загружены на этот сайт, и в настоящее время мы работаем с другими группами с большими наборами данных, чтобы поделиться ими здесь. Такое агрегирование наборов данных предназначено для облегчения будущих экспериментов и моделирования.

Эта работа была поддержана Программой хранения энергии Министерства энергетики США.Авторы хотят поблагодарить доктора Имре Гюка за его поддержку исследований, направленных на повышение безопасности и надежности стационарных накопителей энергии. Мы хотели бы поблагодарить доктора Валерио де Анжелиса за его значительные усилия по развитию batteryarchive.org и Энергетический институт CUNY, входящий в состав Городского колледжа Нью-Йорка, за предоставление доступа к сайту. Мы также благодарны докторам. Даниэлю Весоловски, Риду Виттману и Лорейн Торрес-Кастро за подробные отзывы о рукописи. Sandia National Laboratories — это многофункциональная лаборатория, управляемая и управляемая National Technology and Engineering Solutions of Sandia, LLC., дочерняя компания Honeywell International, Inc., находящаяся в полной собственности Управления национальной ядерной безопасности Министерства энергетики США, в соответствии с контрактом DE-NA-0003525. В данной статье описаны объективные технические результаты и анализ. Любые субъективные взгляды или мнения, которые могут быть выражены в документе, не обязательно отражают точку зрения Министерства энергетики США или правительства США.

H.M.B. и S.R.F. разработал оригинальное исследование. А.Ф., Ю.П. выполнили эксперименты с циклическим перемещением, а Дж.Р.-К. и Б. Джуба завершил ICP. Ю.П. провели общий анализ данных и написали статью вместе с D.L.C. способствуя статистическому анализу. Все авторы участвовали в обсуждении результатов, а также в подготовке статьи.

Проверка литий-ионных батарей — электрохимические измерения

Цель этой заметки

В этой заметке по применению обсуждаются электрохимические измерения литий-ионных батарей. Объясняются теория и общая установка литий-ионных аккумуляторов.Описаны важные параметры для характеристики аккумуляторов.

Кроме того, проводятся различные эксперименты с монетными ячейками. Они показывают, как получить информацию о производительности батареи, например пределы емкости и напряжения, а также поведение в течение длительного времени.

Введение

Батареи — незаменимые системы хранения энергии для мобильных и стационарных приложений. В основном они используются для портативных устройств или когда электрические линии непрактичны или невозможны.

Области их применения простираются от небольших устройств, таких как MP3-плееры или смартфоны, до мощных систем для автомобильного рынка или систем хранения энергии для электростанций, например.г. ветряные электростанции.

Установка

Типичная установка батарей состоит из двух противоположно заряженных электродов, разделенных электролитом. Их можно разделить на первичные или вторичные клетки, в зависимости от их химической системы.

Первичные элементы

Первичные батареи не заряжаются. Они уже полностью заряжены и могут быть немедленно использованы. Они предлагают высокую удельную энергию и длительное время хранения.
Однако первичные элементы в настоящее время занимают лишь нишу на рынке.Обычно они используются, когда перезаряжаемые батареи нецелесообразны или невозможна зарядка, например часы, игрушки или кардиостимулятор. Другие области применения можно найти в вооруженных силах, например ракеты.

Типичными первичными элементами являются щелочно-марганцевые, угольно-цинковые или литиевые батареи.

Вторичные элементы

В отличие от первичных элементов, вторичные батареи можно заряжать сотни раз. Их доля на рынке неуклонно увеличивается.

Самая старая аккумуляторная батарея — это свинцово-кислотная батарея, которая до сих пор используется в качестве стартерной батареи в транспортных средствах или в качестве резервных систем.Другими примерами являются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH) или литий-ионные батареи. Последний в настоящее время находится в центре внимания исследований, так как он является предпочтительным аккумулятором для автомобильного рынка.

На рисунке 1 показана типичная установка литий-ионного аккумулятора и схематично показан электрохимический процесс во время разряда.

Рисунок 1 — Упрощенная схема литий-ионного аккумулятора во время разряда.
Подробнее см. В тексте.

Для достижения высокой мощности и плотности энергии в качестве электродных материалов используются высокопористые материалы.Что касается анода, графит прикреплен к медной фольге, которая служит токоприемником. В катодах используются в основном оксиды переходного металла лития, нанесенные на алюминиевую фольгу.

Электролит переносит заряд между обоими электродами. Он может быть жидким, твердым или полимерным. Сепаратор — ионопроницаемая мембрана — помещается между обоими электродами, чтобы избежать короткого замыкания.

В процессе зарядки ионы лития мигрируют от богатого литием катода к аноду и внедряются в его многослойную структуру.Во время разряда этот электрохимический процесс меняется на противоположный. Следующие химические уравнения суммируют оба процесса, при этом прямые реакции иллюстрируют этап зарядки.

Производительность и срок службы литий-ионных батарей сильно зависят от нескольких параметров. Экстремальные температуры могут привести к порче материала. Превышение номинальных характеристик батарей, например потенциал или ток заряда и разряда, могут привести к необратимым реакциям и перегреву. Общая производительность аккумулятора может быть значительно снижена.

Следовательно, необходимо контролировать и контролировать напряжение и ток при зарядке и разрядке отдельных батарей и батарейных блоков. В следующем разделе с помощью экспериментов обсуждается электрохимическое поведение литий-ионных батарей. Показано влияние различных параметров измерения.

Experimental

Измерения для этой заметки по применению были выполнены на аккумуляторных батареях типа «таблетка» от Great Power Battery (модель LIR2032). Батареи были помещены в держатель батарейки Gamry для монетных элементов CR2032 (см. Рисунок 2).Батареи были протестированы в держателях, подобных показанным ниже.

Держатели позволяют проводить точные измерения благодаря прямому контактному измерению Кельвина.

Рис. 2 — Двухэлементный CR2032 (слева) и держатель батареи 18650 (справа) от Gamry.

Все измерения проводились с помощью потенциостата Interface 1000.

Кривая заряда и разряда

На рисунке 3 показаны типичные кривые заряда (зеленый) и разряд (синий) монетного элемента.Напряжение (более темный цвет) и ток (светлый цвет) нанесены на график в зависимости от времени. Ячейка заряжалась и разряжалась током ± 40 мА в диапазоне от 2,75 В до 4,2 В.

Напряжение постоянно увеличивается во время зарядки аккумулятора. На этом этапе ионы лития извлекаются из катода и внедряются в графитовые слои анода.

Ячейка потенциостатически удерживается на уровне 4,2 В после достижения верхнего предела напряжения. Этот шаг длится до тех пор, пока ток не достигнет 0.4 мА, что соответствует показателю C 0,01. Это гарантирует, что аккумулятор полностью заряжен. Уровень заряда аккумулятора (SOC) составляет 100%.

Напряжение сначала падает в начале этапа разряда. Согласно закону Ома, это падение напряжения ∆U (также называемое «падение IR») прямо пропорционально эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR), см. Уравнение 1.

I — приложенный ток. ESR суммирует сопротивления электродов, электролита и электрических контактов.Чем меньше падение напряжения U, тем выше максимальная выходная энергия E, которая может быть получена от батареи, см. Уравнение 2.

U0 — фактическое напряжение батареи и t время заряда или разряда соответственно.
Предел полезной емкости аккумулятора достигается при резком падении напряжения. Шаг разряда останавливается при 2,75 В. При этом потенциале SOC определяется равным 0%. Глубина разряда (DOD) — 100%.

Следует избегать наличия потенциала, превышающего характеристики аккумулятора.Разложение электролита или деградация материалов электродов может привести к снижению производительности и срока службы аккумулятора.

C-скорость

Термин C-скорость описывает, насколько быстро батарея заряжается или разряжается. Батареи, используемые в этой инструкции по применению, имеют номинальную емкость Q, равную 40 мАч, при токе 0,2 С. Это означает, что в идеале 8 мА можно потреблять в течение пяти часов в соответствии со следующим уравнением.

Батареи можно заряжать быстрее при использовании более высоких скоростей C.И наоборот, энергия может быть получена за более короткий период времени. Однако более высокие значения C могут резко повлиять на производительность и срок службы батареи.

На рисунке 4 показаны пять кривых разряда с увеличением скорости C (от темного до светло-зеленого). Зависимость потенциала батареи от емкости. Он автоматически рассчитывается Gamry’s Echem Analyst.

Монетный элемент сначала был заряжен до 4,2 В и удерживался при этом потенциале в течение более длительного периода, чтобы полностью зарядить аккумулятор.После этого батарея была разряжена до 2,75 В. Скорость C изменялась от 0,2 C (8 мА) до 1,0 C (40 мА).

Таблица 1 суммирует несколько параметров, которые были получены в результате этого эксперимента.

Как упоминалось ранее, время разряда t уменьшается с увеличением скорости C. Обратите внимание, что t короче теоретического времени разряда. Эти отклонения в основном зависят от возраста и количества использованной батареи, а также от температуры.

Увеличение скорости C увеличивает также падение IR.Это отрицательно сказывается на емкости и энергии. Емкость уменьшается примерно на 10% при увеличении скорости C с 0,2 C до 1,0 C.

Обратите внимание, что ESR уменьшается с увеличением скорости C. Это можно объяснить повышением температуры внутри батареи. Однако такие недостатки, как меньшая емкость и меньшая энергия, перевешивают это преимущество. Кроме того, более высокие температуры также могут привести к порче материала.

Падение ИК-излучения рассчитывается автоматически, если в настройке эксперимента активирована функция IR Measure .Измеренное напряжение указано в столбце Vu в Echem Analyst. Обратите внимание, что частота дискретизации не должна быть выше 1 секунды.

Цикл батареи

Типичный эксперимент для проверки долговременной стабильности батареи — это цикл. Для этого аккумуляторы заряжаются и разряжаются несколько сотен раз и измеряется емкость.

На рисунке 5 показан стандартный эксперимент с циклической зарядкой и разрядкой (ПЗС) для аккумуляторов. В монетной ячейке сначала было заряжено до 4.2 В с частотой 1,0 C (40 мА). Затем этот потенциал потенциостатически удерживался не менее 72 часов или если ток достигал 1 мА. Затем аккумулятор разряжен со скоростью 1,0 ° C до 2,7 В. Эта последовательность повторяется в течение 100 циклов.

Более темные кривые показывают емкость. Более светлые кривые показывают процент емкости по отношению к началу.

Загрязнения электролита или дефекты электродов всегда вызывают потерю емкости. Протестированная батарея в этом примере показывает хорошее поведение при цикле.Максимальная емкость плоского элемента составляет около 28,7 мАч. Емкость уменьшается лишь незначительно после 100 циклов. Суммарная потеря мощности составляет около 4,5%.

Экстремальные температуры, чрезмерная зарядка или чрезмерная разрядка могут ускорить потерю емкости. Как правило, батареи следует заменять, когда потеря емкости превышает 20%.

Кроме того, Echem Analyst позволяет рассчитать кулоновскую эффективность h C . Он описывает коэффициент заряда во время разрядки и зарядки (см. Также уравнение 3).

Круглая ячейка в этом эксперименте показывает кулоновскую эффективность около 98%.

Ток утечки и саморазряд

В идеале потенциал батареи постоянен, когда не течет внешний ток. Однако на самом деле потенциал со временем уменьшается, даже если аккумулятор не подключен к внешней нагрузке.

Этот эффект называется саморазрядом. Все устройства накопления энергии в той или иной степени подвержены саморазряду (SD).

На рис. 6 показана схема эксперимента по саморазряду с новой плоской батареей.Батарею сначала зарядили до 4,2 В, а затем потенциостатически удерживали при этом потенциале в течение трех дней. Затем в течение девяти дней измеряли потенциал холостого хода.

Батарея показывает очень хорошие саморазрядные характеристики. Первоначально потенциал уменьшается более чем на 6 мВ. После этого частота снижается до менее 1 мВ в день. Через девять дней потенциал снизился в сумме на 15,6 мВ. Это соответствует падению потенциала всего на 0,37% по отношению к начальному значению.В таблице 2 приведены результаты эксперимента по саморазряду.

Саморазряд вызывается внутренним протеканием тока, который называется током утечки (/ утечка). Скорость саморазряда в основном зависит от возраста и использования батареи, ее первоначального потенциала, а также от температурных воздействий.

На рисунке 7 показаны измерения тока утечки на двух монетных ячейках. Один аккумулятор был новым, а другой за короткое время прогрелся до 100 ° C. Обе батареи изначально были заряжены до 4.2 В. Затем потенциал поддерживали постоянным и измеряли ток.

Измерение проводилось с помощью специального скрипта под названием PWR Leakage Current.exp. Это позволяет избежать изменения диапазона преобразователя I / E за счет использования значения ESR, введенного пользователем. Не рекомендуется использовать потенциостатический тест для измерения токов утечки.

Измеряемый ток постоянно уменьшается. Обратите внимание, что он все еще не постоянный даже через четыре дня. Однако многие производители указывают / утечку как значение, измеренное через 72 часа.В этом случае ток утечки для новой батареи составляет около 4,7 мкА. Старая таблетка показывает при 10 мкА значение, которое в два раза больше.

Как правило, батареи, которые не использовались в течение длительного периода, следует периодически проверять и заряжать. Саморазряд не должен превышать 40%, так как это сильно влияет на производительность и срок службы батареи. Батареи с высокой скоростью саморазряда больше не должны использоваться.

Измерения EIS

На рисунке 8 показаны четыре разные диаграммы Найквиста при различных потенциалах.Сначала аккумуляторную батарею заряжали до 3,9 В, 4,1 В, 4,3 В и 4,5 В соответственно. Затем потенциал потенциостатически удерживался до тех пор, пока ток не упал ниже 1 мА. Этот шаг обеспечивает постоянство потенциала во время эксперимента EIS.

Гальваностатические эксперименты EIS проводились в диапазоне от 100 кГц до 10 мГц. Постоянный ток равен нулю, а переменный ток был установлен на 10 мА среднеквадратического значения.

Форма графика Найквиста сильно зависит от потенциала батареи. При более низких потенциалах, т.е.е. 3,9 В и 4,1 В, обе кривые практически перекрываются.

Импеданс батареи увеличивается при повышении потенциала. Кривые Найквиста при 4,3 В и 4,5 В соответственно смещены вправо, а полукруги больше.

Для лучшего понимания можно использовать модели схем EIS. На рисунке 9 показана типичная модель литий-ионных аккумуляторов.

Рисунок 9 — Простая модель EIS, представляющая литий-ионный аккумулятор. Подробности см. В тексте.

RESR представляет собой ESR батареи.Это предельный импеданс на высоких частотах. Его легко оценить как пересечение кривой Найквиста и оси x (Zreal).

Кроме того, предполагается, что каждая граница раздела электрод / электролит имеет емкость двойного слоя и сопротивление передачи заряда Rct. Каждая параллельная цепь этих элементов представляет собой полукруг на диаграмме Найквиста.

Для устранения пористости и неоднородностей обоих электродов емкость двойного слоя заменяется элементом постоянной фазы (CPE).Он суммирует поляризационные эффекты двойного слоя на неидеальных границах раздела электрод / электролит. В идеале CPE можно рассматривать как конденсаторы.

Все кривые Найквиста показывают диагональную линию под углом 45 ° на низких частотах. Эта область может быть смоделирована импедансом Варбурга ZW. Он описывает линейную диффузию при любой толщине диффузионного слоя. Для упрощения учитывается диффузия только на одном электроде.

В таблице 3 приведены все параметры подгонки, полученные в предыдущем эксперименте EIS, показанном на рисунке 8.

Обратите внимание, что параметры Y и его безразмерная экспонента определяют элемент постоянной фазы. Y имеет единицу S • sa (умноженная на Сименс, уступающая по мощности a ).

Для a = 1, Y имеет единицу Фарада (Ф) и представляет собой идеальный конденсатор. Напротив, если a = 0, Y является обратной величиной резистора с единицей S = Ω-1.

Таблица 3 — Подгоночные параметры эксперимента EIS, выполненного на монетной ячейке, заряженной до 3.9 В. Модель схемы показана на Рисунке 9.

Кроме того, отображается «Качество подгонки», которое дает хорошую оценку, подходит ли используемая подгонка для текущей системы. Значение 1,10-4 или ниже указывает на очень хорошее соответствие. Ошибка между измеренными и расчетными значениями составляет всего около 1%. Если значение выше 0,01, следует принять во внимание другую модель соответствия.

Батарейные стеки

Для приложений большой мощности отдельные элементы собираются в последовательной и параллельной схемах.Последовательные установки используются в приложениях, где требуются более высокие напряжения. Общее напряжение U — это сумма напряжений Ui каждой отдельной батареи.

Напротив, параллельные схемы используются, когда требуются более высокие токи. Кроме того, можно использовать батареи с более низким номиналом в ампер-часах. Полный ток I — это сумма одиночного тока каждой батареи Ii. Общее напряжение стека остается прежним.

Обе конфигурации также можно комбинировать, обеспечивая большую гибкость со стандартными ячейками.Однако для батарейных блоков тем более важно избегать отказов ячеек. Отказ одной ячейки может снизить производительность всей батареи.

Как правило, стек и отдельные его ячейки должны быть сбалансированы. Каждая отдельная ячейка должна иметь похожие параметры, например окно напряжения или импеданс.
В несбалансированных батареях отдельные батареи могут перегреваться из-за чрезмерной зарядки или разрядки. Следовательно, передовое программное обеспечение должно контролировать каждую отдельную батарею и весь стек.

Gamry позволяет контролировать пакеты ячеек с помощью многоканальных систем потенциостатов или Reference 3000 с дополнительным вспомогательным электрометром.Обе системы позволяют проводить все ранее обсуждавшиеся эксперименты со стопками батарей. В результате может быть получена информация о стеке ячеек, а также о каждой отдельной батарее.

Заключение

В данном примечании по применению рассматриваются измерения с использованием литий-ионных батарей. Установка и важные параметры литий-ионных батарей объясняются как для отдельных батарей, так и для групп батарей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *