Минимальное напряжение li ion: Какое минимальное напряжение требуется для зарядки литий-ионной батареи 3,7 В?

Какое минимальное напряжение требуется для зарядки литий-ионной батареи 3,7 В?

Нет, батарея постоянно не дает 3.7V. Это значение напряжения при меньшей емкости. 3.7V не значит много. Это значение, при котором аккумулятор наиболее стабилен, но фактическое значение при полной зарядке составляет 4,2 В, поэтому зарядное устройство должно обеспечивать более высокое значение, чем это, если вы хотите полностью зарядить его.

При напряжении 3,3 В стандартные литий-ионные элементы считаются разряженными, поскольку они больше не могут обеспечивать достаточный постоянный ток для средних применений, для которых они предназначены.

Минимальное напряжение для зарядки стандартного Li-Ion составляет 4.201. Но, учитывая импедансы зарядного устройства и элемента, большинство зарядных устройств имеют напряжение 4,25 или даже 4,3 В, когда они работают вхолостую (не подключенные к элементу).

Хотя эти значения были выбраны таким образом, они не похожи на 10 заповедей.

Вы можете разрядить элемент до 3,3 В, но он будет обеспечивать меньший ток, и вы можете зарядить его даже до 4,3 + В, и он будет иметь более высокую емкость, но обе практики сократят срок его службы.

Так что в экстренных случаях перезарядите их до 4,3 В, и у вас будет дополнительная емкость для работы, и если вы хотите иметь очень длительное время для элемента, дайте ему заряжаться только до 4 В, но это даст только ~ 80% заявленной вместимости.

Возвращаясь к зарядным устройствам, я бы разработал свое зарядное устройство так:

Вариант 1: 4,0 В — безопасный режим — для безопасной зарядки и длительного срока службы и восстановления избыточной / плохой батареи.

Вариант 2: 4,21 В — стандартный — нормальный режим зарядки (плохие элементы с пониженной емкостью будут перегреваться при зарядке на стандартном уровне)

Вариант 3: 4,32 В — избыточная мощность — режим перезарядки (меньший срок службы элементов, очень высокая опасность для элементов пониженной емкости)

Насколько уменьшится емкость li-ion аккумуляторов после нескольких лет хранения

Очень часто происходят дискуссии о том, насколько сильно влияет долгое хранение li-ion аккумуляторов на их рабочие характеристики. Снижается ли после долго хранения емкость аккумуляторов? А если снижается, то насколько? Можно ли использовать аккумуляторы, которые лежали без дела несколько лет?

Попробуем в этом разобраться. Выражаем благодарность компании KeepPower-Украина за предоставление li-ion аккумуляторов формата 18650, которые несколько лет находились у них на хранении. Было получено шесть разных аккумуляторов со сроками хранения от 3 до 6,5 лет:

• Panasonic NCR18650G
• Panasonic NCR18650BM
• Panasonic NCR18650A
• Samsung ICR18650-22F
• Sanyo UR18650FM
• Sanyo UR18650ZTA

Методика тестирования

В начале было измерено напряжение и внутреннее сопротивление всех аккумуляторов, чтобы произвести первоначальную оценку их состояния после хранения. После этого все аккумуляторы были несколько раз прогнаны циклами заряд/разряд, чтобы избавиться от возможных последствий долгого хранения. Так сказать — привели аккумуляторы в чувство после долгой спячки.

Тестирование проводилось разрядом токами 0,5 и 3 Ампера с замером емкости. После тестирования снова было проведено измерение внутреннего сопротивления аккумуляторов, чтобы зафиксировать возможное его изменение.

Тестирование в режиме разряда постоянным током проводилось прибором Rigol DL3021, измерение внутреннего сопротивления — прибором YR-1030.

Panasonic NCR18650BM

Первоначальное напряжение на аккумуляторе — 3,56 Вольт, внутреннее сопротивление — 22,2 мОм.

• Возраст аккумулятора —  3 года
• Минимальная емкость — 3030mAh
• Максимальное напряжение — 4,2 Вольт
• Минимальное напряжение — 2,5 Вольт

Внутреннее сопротивление после тестирования -20,6 мОм.

Panasonic NCR18650A

Первоначальное напряжение на аккумуляторе — 3,61 Вольт, внутреннее сопротивление — 32,7 мОм.

• Возраст аккумулятора —  4 года
• Минимальная емкость — 2950mAh
• Максимальное напряжение — 4,2 Вольт
• Минимальное напряжение — 2,5 Вольт

Внутреннее сопротивление после тестирования — 33,1 мОм.

Samsung ICR18650-22F

Первоначальное напряжение на аккумуляторе — 3,67 Вольт, внутреннее сопротивление — 45,9 мОм.

• Возраст аккумулятора — 4 года
• Минимальная емкость — 2150mAh
• Максимальное напряжение — 4,2 Вольт
• Минимальное напряжение — 2,5 Вольт

Внутреннее сопротивление после тестирования — 46,7 мОм.

Sanyo UR18650FM

Первоначальное напряжение на аккумуляторе — 3,79 Вольт, внутреннее сопротивление — 42,8 мОм.

• Возраст аккумулятора —  4 года
• Минимальная емкость — 2500mAh
• Максимальное напряжение — 4,2 Вольт
• Минимальное напряжение — 2,5 Вольт

Внутреннее сопротивление после тестирования — 42,5 мОм.

Sanyo UR18650ZTA

Первоначальное напряжение на аккумуляторе — 3,80 Вольт, внутреннее сопротивление — 42,2 мОм.

• Возраст аккумулятора —  6 лет
• Минимальная емкость — 2900mAh
• Максимальное напряжение — 4,35 Вольт
• Минимальное напряжение — 2,75 Вольт

Внутреннее сопротивление после тестирования — 42,2 мОм.

Следует отметить, что максимальное напряжение данной модели аккумулятора составляет 4,35 Вольт, что выше стандартных 4,2 Вольт. Но перед тестированием аккумулятор был заряжен только до 4,2 Вольт (было нечем зарядить дj напряжения 4,35 Вольт). Поэтому результаты тестирования для этого экземпляра не совсем корректны.
По разным данным при заряде таких аккумуляторов только до 4,2 Вольт в них «недозаливается» от 10 до 15% емкости.

Panasonic NCR18650G

Первоначальное напряжение на аккумуляторе — 4,11 Вольт, внутреннее сопротивление —  35,9мОм.

• Возраст аккумулятора —  6 лет
• Минимальная емкость — 3450mAh
• Максимальное напряжение — 4,2 Вольт
• Минимальное напряжение — 2,5 Вольт

Внутреннее сопротивление после тестирования — 36,8 мОм.

Кто повнимательнее, тот заметил, что похоже этот аккумулятор был когда-то заряжен до 4,2 Вольт, т.к. перед тестированием его напряжение было 4,11 Вольт. Мы тоже на это обратили внимание и обратились к лицу, от которого получили эти аккумуляторы на тесты. С его слов этот аккумулятор скорее всего был заряжен примерно в 2014 году и после этого лежал в коробке. Если это так, то это очень хороший показатель по саморазряду. Саморазряд очень-очень низкий.

Анализ результатов

На диаграмме представлено сравнение измеренной емкости аккумуляторов при разряде токами 0,5 и 3 Ампера с минимальной емкостью, указанной в datasheet производителя. Как можно увидеть — емкость части аккумуляторов превышает минимально-гарантированную, емкость нескольких аккумуляторов немного ниже минимально-гарантированной. 

Для удобства восприятия на диаграмме ниже показано,  какая емкость в процентах от минимально-гарантированной была зафиксирована при разряде током 0,5 Ампера.

Не забывайте, что модель Sanyo UR18650ZTA имеет максимальное напряжение 4,35 Вольт. А перед тестированием аккумулятор заряжался только до 4,2 Вольт. Поэтому чтобы получить правильную картину по этому аккумулятору следует к измеренной емкости добавить еще примерно 10-15%.

Выводы

По результатам тестирования видно, что после нескольких лет хранения, конечно, li-ion аккумуляторы немного теряют в емкости, но снижение емкости оказалось совсем небольшим. Внутреннее сопротивление аккумуляторов также находится в пределах нормы и сильно не изменилось. Усиления саморазряда (снижение напряжения на заряженном аккумуляторе со временем)  также отмечено не было.

Таким образом, можно сделать вывод, что к ухудшению характеристик (уменьшение емкости, увеличение саморазряда и внутреннего сопротивления) приводит не долговременно хранение, а работа аккумуляторов в циклах разряд/заряд.

Дата проведения тестирования аккумуляторов - март 2019 года.

Как выбрать аккумулятор и не прогадать?

Мы прекрасно понимаем желание наших клиентов сэкономить на покупке нового аккумулятора для своего робота-пылесоса, тем более, что в сети Интернет сейчас масса предложений по самым привлекательным ценам… Но…Не спешите обольщаться — купив такой «не родной» аккумулятор Вы играете в «повезёт — не повезёт»… И вот почему:

Самая простая неприятность в данном случае — это покупка «дохлого» аккумулятора.

Если оригинальный прослужит Вам от 2-х лет и более (при правильной эксплуатации), то китайская «реплика» — всего 4-6 месяцев. Посчитайте сами — что выгоднее?

Вторая, по частоте обращений клиентов в наш сервисный центр, проблема — резко упавшее качество уборки, особенно на ковровых покрытиях. Причина банальна — поддельный аккумулятор «не тянет», перегревается и, чтобы не привести к взрыву батареи, умная автоматика робота отключает самый энергозатратный узел — центральные щётки. А без центрального щёточного узла качественная уборка невозможна. Но и это ещё не самое страшное.

Самая большая неприятность, которую Вы в данном случае можете получить — это «выгорание» системной платы и процессора. В итоге — ваш робот не подлежит ремонту и отправляется прямиком на свалку. Т.е. сэкономив пару тысяч Вы теряете десятки.

Ну и, конечно, если Вы вдруг решите поставить такой аккумулятор в гарантийный аппарат, то на гарантийный ремонт можете уже не рассчитывать — подобная причина поломки выявляется специалистами сервисного центра сразу.

Поэтому, мы настоятельно рекомендуем использовать в роботах-пылесосах только оригинальные аккумуляторные батареи!

Ещё один часто возникающий у наших клиентов вопрос — можно ли заменить никель-металлогидридный (Ni-Mh) аккумулятор на литий-ионный (Li-Ion)?

Дело в том, что при использовании литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов в роботах-пылесосах iRobot Roomba, рассчитанных на никель-металлогидридные (Ni-Mh), возникают две проблемы: 
1. «Ошибка #5» при зарядке у роботов 6 и 7 поколения.
2. Остановка Roomba до окончания процесса уборки.

Чтобы понять, почему это происходит, необходимо иметь представление о том, что же из себя представляют данные аккумуляторы и какими характеристиками они обладают. 
Ni-MH аккумулятор для iRobot Roomba состоит из 12 последовательно соединённых элементов с номинальным напряжением 1,2В. Допустимое минимальное напряжение каждого элемента составляет 0,9В, максимальное — 1,6В. Это значит, что рабочий диапазон для такого аккумулятора может быть от 10,8 до 19,2В.

 
В свою очередь Li-ion (литий-ионный) аккумулятор может состоять из нескольких элементов, номинальное напряжение которых 3,6В. При этом минимальное допустимое напряжение каждого элемента составляет 3,0 В (ниже — элемент «умирает), максимальное — 4,2В (выше — может привести к возгоранию и взрыву). Поэтому в любом Li-Ion аккумуляторе установлен внутренний защитный контроллер, который не допускает нарушение режимов работы, т.е. перезаряд и переразряд. В случае «угрозы» контроллер просто отключает элементы от клемм аккумулятора .Таким образом рабочий диапазон у Li-ion аккумуляторов для iRobot Roomba от 12 до 16,8В. 

Так как контроллеры платы Roomba 500 — 800 серии рассчитаны на показатели напряжения Ni-MH аккумулятора, то зарядка будет идти до максимального показателя напряжения заряда — 19,2В. А сигнал, что пора ехать на базу, пройдет, когда должно остаться примерно 30% заряда аккумулятора, т.е. при 11,9В. 
Таким образом, при установке в Roomba Li-Ion аккумулятора происходит следующее: процесс заряда еще в полном разгаре, а контроллер его отключает (16,8В). Как следствие — та самая ошибка №5. При возникновении любой ошибки при зарядке Roomba автоматически согласно графика убирать не поедет. Возможен только ручной запуск. 
Или обратная ситуация, — робот еще только собирается на зарядную станцию, а аккумулятор «вдруг пропал» (12В), при этом робот преждевременно остановится и обнулятся все настройки.
Кроме того, очень часто пороги срабатывания по напряжению перезаряда/переразряда в контроллерах «китайских» Li-Ion аккумуляторов могут быть установлены весьма произвольно, например не 12 и 16.8В, а 13.1 и 16.1В, что еще больше усугубляет ситуацию. 
А как же быть с оригинальными Li-Ion аккумуляторами? Производитель допускает их использование в роботах восьмисотой серии благодаря адаптированному защитному контроллеру при условии увеличенной емкости (3300mAh).

В заключении хотелось бы сказать, что все новые модели iRobot Roomba изначально поставляются с литий-ионными (Li-ion) аккумуляторными батареями.

Вы всегда можете купить оригинальный аккумулятор для любой модели робота-пылесоса iRobot у нас.

Компараторы Maxim для контроля уровня заряда аккумуляторов малой емкости

16 апреля 2020

Ашви Бадри Нарьянан (Maxim Integrated)

Специализированные компараторы Maxim в ультракомпактных корпусах со сверхнизким собственным потреблением идеальны для схем мониторинга состояния заряда аккумулятора, а также для мониторинга температуры в миниатюрных приборах и устройствах с автономным электропитанием.

Для питания многих современных портативных электронных приборов используют миниатюрные батарейки типа «таблетка». Очевидно, что потребители ожидают максимально долгой автономной работы устройств и хотят иметь достоверную информацию об уровне заряда. К сожалению, эффективный мониторинг состояния заряда небольших батарей (State of Charge, SoC) оказывается сложной задачей, так как сама система мониторинга будет дополнительно разряжать элемент питания, что крайне нежелательно.

В данной статье рассказывается о простых и малопотребляющих системах мониторинга, которые позволяют решить проблему измерения уровня заряда аккумуляторов небольшой емкости.

Контроль напряжения и температуры аккумулятора

Одна из важнейших задач, стоящих перед системными проектировщиками, заключается в обеспечении бюджета мощности. В основе современных устройств обычно – микроконтроллер или микропроцессор, который выполняет необходимые функции и осуществляет общее управление. К сожалению, именно микроконтроллер чаще всего оказывается самым «прожорливым» компонентом системы, поэтому нет смысла заставлять его выполнять все задачи без разбора. Для снижения общего потребления желательно, чтобы контроллер оставался в спящем состоянии как можно дольше, пока на его портах не появятся пробуждающие сигналы – флаги и прерывания.

Для постоянного мониторинга критических параметров системы разработчики часто используют дополнительные малопотребляющие схемы. Эти схемы пробуждают контроллер (обычно с помощью прерываний) для выполнения необходимых действий, когда происходит какое-либо событие. Одним из таких критических параметров является уровень заряда батареи или аккумулятора. Если в процессе разряда выходное напряжение аккумулятора падает ниже определенного уровня, его необходимо зарядить. Аналогичным образом, когда выходное напряжение аккумулятора превышает верхний порог, следует установить флаг, сообщающий микроконтроллеру о необходимости окончания процесса заряда. Также важно следить за температурой аккумулятора, поскольку она позволяет оценить условия его работы и обнаружить неисправности.

В самых простых случаях для контроля напряжения и температуры аккумулятора можно использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или оконный компаратор. Существуют также сложные специализированные микросхемы, разработанные для решения этой задачи. Однако при создании системы мониторинга уровня заряда необходимо соблюдать осторожность и учитывать множество дополнительных параметров, в том числе уровень собственного потребления, быстродействие, точность, стоимость и габариты. В каждом конкретном приложении на первый план могут выходить те или иные параметры из этого списка. Перед тем как рассмотреть систему мониторинга уровня заряда, построенную на базе малопотребляющих компараторов, проанализируем основные ограничения, связанные с использованием аккумуляторов.

Ограничения аккумуляторов

Аккумуляторы отличаются друг от друга по химическому составу и структуре. Эти особенности в свою очередь определяют основные характеристики аккумуляторов, в том числе удельную емкость, пиковый ток нагрузки, срок службы, температурную стабильность и так далее. При выборе аккумулятора необходимо также учитывать различные компромиссы, например, чем выше удельная мощность, тем ниже рейтинг безопасности, срок службы, и наоборот.

Любой аккумулятор имеет целый ряд ограничений, в том числе:

• максимальный ток, который аккумулятор может выдавать в определенном диапазоне выходных напряжений;
• максимальный ток, который аккумулятор может принимать во время зарядки;
• максимальное безопасное напряжение;
• минимальное безопасное напряжение;
• максимальную и минимальную рабочую температуру.

Каждое из этих ограничений влияет на срок службы аккумулятора. Выход за рамки разрешенных значений может привести к преждевременному отказу аккумулятора, в том числе с возгоранием. Указанные выше значения токов зависят от емкости аккумулятора, которая в свою очередь оказывается прямо пропорциональной габаритным размерам.

Аккумуляторы для портативной электроники

В таблице 1 приведены типовые характеристики наиболее популярных аккумуляторов:

• Максимальное безопасное рабочее напряжение – это напряжение полностью заряженного аккумулятора. Аккумулятор можно заряжать до более высоких напряжений, но это будет сопряжено с риском преждевременного отказа или сокращения срока службы элемента питания.
• Конечное напряжение разряда – это напряжение, определяемое как напряжение полностью разряженного аккумулятора. Более глубокий разряд аккумулятора приведет к сокращению его срока службы.
• Срок службы измеряется в циклах заряда-разряда. Чем чаще вы заряжаете/разряжаете свой смартфоны, тем короче будет ожидаемый срок службы его аккумулятора.

Таблица 1. Типовые характеристики популярных аккумуляторов (рассматриваются одноэлементные аккумуляторы)

Тип элемента питания	Максимальное безопасное напряжение, В	Конечное напряжение разряда, В	Номинальное напряжение (VBAT), В	Средний срок службы, циклов	Типовой саморазряд, %/месяц
LCO (LiCoO2)	4,2	2,5	3,6	750	1…2
LiNMC (LiNiMnCoO2)	4,2	2,5	3,6	1500	1…2
LiFePO4	3,6	2,0	3,2	1500	1…2
Li-po	4,2	2,0	3,6	400	1…2
NiCd*	1,45	0,9	1,2	2000	10…15
NiMH*	1,3	1,0	1,2	1500	10…15
* – Для получения напряжения 3,6 В используют три последовательно включенных элемента.

Как видно из таблицы 1, литий-полимерные аккумуляторы (Li-po) имеют малый срок службы, но их компактные размеры, малый вес и широкий диапазон рабочих напряжений могут стать очень важными преимуществами при использовании во многих приложениях. В портативной электронике обычно применяются никелевые и литий-ионные аккумуляторы. В то же время свинцово-кислотные аккумуляторы в таких приложениях не используют из-за их большого веса (низкой удельной емкости на единицу массы). Повторяющиеся циклы полного разряда существенно ухудшают химические свойства таких аккумуляторов, сокращая срок их службы. Несмотря на привлекательную стоимость свинцово-кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов, они оказываются достаточно вредными для окружающей среды и используются в основном в автономных/резервных источниках питания.

Саморазряд и бюджет мощности

Саморазряд выражается в уменьшении емкости аккумулятора вследствие внутренних нежелательных химических реакций. Именно по этой причине срок годности элемента питания (Shelf Life) уменьшается, даже если батарея не используется. Рассмотрим Li-po-аккумулятор с емкостью 1000 мА⋅ч. Показатель емкости, или C-показатель, определяет номинальную скорость разряда аккумулятора. Например, 1C означает, что аккумулятор может выдавать 1000 мА в течение одного часа до полной разрядки. Аналогичным образом 0,5C означает, что аккумулятор может выдавать ток 500 мА в течение двух часов до полной разрядки.

Пусть аккумулятор 1000 мА⋅ч имеет саморазряд 1% в месяц. Рассчитаем его ток саморазряда. Для этого определим приблизительный ток, необходимый для полного разряда аккумулятора в течение месяца по формуле 1:

$$\frac{1}{(24\times 30)\:часов}=0.001388C \Rightarrow \frac{1000\:мА\cdot ч}{(24\times 30)\:часов}=1.388\:мА\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Тогда ток саморазряда будет равен 1% от рассчитанного выше тока разряда 1,388 мА, то есть составит 13,88 мкА.

Если схема потребляет меньше, чем ток саморазряда, то срок службы аккумулятора будет ограничен в первую очередь его сроком годности. Компараторы со сверхнизким потреблением MAX40000/MAX40001 (размер посадочного места 1,11х0,76 мм) и MAX40003/MAX40004 (размер посадочного места 0,73х0,73 мм) потребляют менее 1 мкА. Столь низкий ток сравним с типовыми значениями тока саморазряда популярных аккумуляторов, что делает эти компараторы идеальным выбором для схем мониторинга при условии жестких ограничений по уровню собственного потребления.

На рисунке 1 представлена простейшая схема мониторинга уровня заряда аккумулятора на базе малопотребляющего компаратора. Выход компаратора переключается в низкое состояние, когда аккумулятор достигает верхнего порогового значения при заряде. И наоборот, выход компаратора переключается в высокое состояние, когда аккумулятор достигает нижнего порогового значения при разряде. В схеме используется гистерезис, а пороговые напряжения выбираются исходя из типа аккумулятора и требований приложения.

Рис. 1. Использование компаратора с гистерезисом для индикации заряженного и разряженного состояния аккумулятора

Предлагаемые компараторы обладают чрезвычайно компактными размерами, имеют встроенный ИОН и потребляют всего 900 нА. Использование высокоомных резисторов гарантирует, что собственный ток потребления схемы будет сопоставим с типовым током саморазряда аккумулятора. Схема может работать с напряжением питания всего 1,7 В, а ее общее потребление не превышает 2 мкА. Столь малое значение напряжения питания гарантирует, что даже при глубоком разряде аккумулятора схема все равно будет правильно выполнять измерения.

В таблице 2 приведены типовые номиналы компонентов схемы мониторинга для различных пороговых значений напряжения V_BAT (V_H→L и V_L→H).

Таблица 2. Типовые номиналы компонентов схемы мониторинга (V_DD = V_PULLUP = 1,8 В, V_SS = GND)

Тип аккумулятора	LiCO/LiMNC	Li-po	LiFePO4	NiCd*/NiMH*
Точка перехода	VH→L = 4,0 В; VL→H = 2,64 В	VH→L = 4,0 В; VL→H = 3,2 В	VH→L = 3,4 В; VL→H = 2,2 В	VH→L = 3,4 В; VL→H = 3,0 В
Опция Push-Pull (MAX40000), МОм	RA = 6,02	RA = 3,7	RA = 2	RA = 2
	RB = 1	RB = 1	RA = 4,6	RB = 1
	R1 = 5,4	R1 = 5,4	R1 = 5,4	R1 = 1,54
	R2 = 2,7	R2 = 3,01	R2 = 3,01	R2 = 10
	R3 = 15,4	R3 = 15,4	R3 = 15,4	R3 = 20
Опция Open-Drain (MAX40001), МОм	RPULLUP = 2,2	RPULLUP = 2,2	RPULLUP = 2,2	RPULLUP = 2,2
* – Для получения напряжения 3,6 В используют три последовательно включенных элемента.

В таблице 2 приведены типовые номиналы компонентов схемы мониторинга. По сравнению с таблицей 1 предложенные пороговые значения ограничивают более узкий рабочий диапазон напряжений. Это связано с необходимостью учета отклонений номиналов резисторов. Схема обеспечивает точность измерений ± 1% при использовании резисторов с отклонением 0,5%. Для повышения точности можно использовать прецизионные резисторы с более жесткими допусками.

Контроль напряжения Li-ion-/Ni-Cd-аккумуляторов

MAX9065 представляет собой однокристальную микросхему, используемую для контроля напряжения аккумулятора. Она имеет два встроенных компаратора, источник опорного напряжения, резистивную цепочку для реализации оконного компаратора. При использовании MAX9065 от разработчика требуется всего лишь подключить выход аккумулятора ко входам IN и VCC. Кроме того, устройство может работать с напряжением питания от 1,0 В. Это позволяет схеме выполнять измерения, даже если аккумулятор находится в состоянии очень глубокого разряда. MAX9065 имеет два исполнения: MAX9065E и MAX9065A. Микросхема MAX9065E предназначена для работы с одноэлементными Li-ion-аккумуляторами, а MAX9065A – для мониторинга никель-кадмиевых аккумуляторов.

На рисунке 2 представлена схема мониторинга напряжения литий-ионных и никель-кадмиевых аккумуляторов с помощью оконного компаратора на базе MAX9065. Пороговые значения устанавливаются с помощью встроенной резистивной цепочки, что позволяет уменьшить количество внешних пассивных компонентов и обеспечить точность измерений ±1%. Предлагаемая схема потребляет менее 1 мкА.

Рис. 2. Мониторинг уровня заряда Li-ion- и Ni-Cd-аккумуляторов с помощью MAX9065

Мониторинг температуры

Чрезмерно высокая температура сигнализирует о возникновении неисправностей и может стать причиной повреждения электронного устройства. Причиной этого могут быть высокая температура окружающей среды, большое собственное потребление или неправильная зарядка/разрядка аккумулятора. При больших нагревах устройство следует отключить во избежание катастрофических последствий.

На рисунке 3 показана простейшая схема мониторинга температуры. В ней используется компаратор MAX40004 и термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Обычно термистор размещают рядом с аккумулятором, чтобы их температуры были максимально близки.

Рис. 3. Контроль температуры с помощью MAX40004

Сопротивление термистора NTC обратно пропорционально температуре. Например, для термистора 100 кОм номинальное сопротивление при 25°C составляет 100 кОм, но при температуре 85°C уменьшится до 8,8 кОм. Номинал резистора R₁ составляет 1,08 МОм, а резистора R₂ – 120 кОм. При температуре 85°C напряжение на неинвертирующем входе компаратора оказывается достаточно большим, чтобы перевести выход в низкое состояние. Внутренний гистерезис компаратора обеспечивает температурный гистерезис 15°C, что позволяет снизить чувствительность к шуму.

Компаратор MAX40004 доступен в компактном четырехвыводном WLP-корпусе и потребляет менее 500 нА. Общее потребление схемы, изображенной на рисунке 3, не превышает 2 мкА.

Заключение

Схемы мониторинга и защиты аккумуляторов с минимальным собственным потреблением являются критически важными элементами для мобильных и портативных электронных устройств. Для их создания компания Maxim Integrated предлагает использовать малопотребляющие компараторы. Например, компараторы MAX40000/01, MAX40003/04 и сдвоенный компаратор MAX9065 потребляют менее 1 мкА, что оказывается даже меньше, чем саморазряд современных аккумуляторов. Кроме малого потребления эти компараторы обеспечивают целый ряд дополнительных преимуществ. В частности, они способны работать с очень низкими напряжениями вплоть до 1,7 В (MAX4000x) и до 1,0 В (MAX9065), что позволяет им выполнять измерения, даже если аккумулятор находится в состоянии очень глубокого разряда. Еще одним важным достоинством предлагаемого решения является высокая точность до 1% (MAX9065).

Малое потребление, широкий диапазон рабочих напряжений и высокая точность делают компараторы производства Maxim хорошим выбором при создании схем мониторинга температуры аккумуляторов.

Оригинал

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

НТЦ «АНК» | Продукция: Литий-ионные аккумуляторные батареи

НТЦ «АНК» | Продукция: Литий-ионные аккумуляторные батареи

Перейти на версию для слабовидящих

Размер шрифта

A A A

Цветовая схема

a

a

a

Развернуть панель

Номинальное напряжение, В	3,2
Максимальное зарядное напряжение, В	3,65
Минимальное напряжение, В	2,5
Номинальная емкость, А∙ч	100
Внутреннее сопротивление, mΩ	≤ 3
Номинальный зарядный ток, А	30
Максимальный зарядный ток, А	200
Номинальный разрядный ток, А	100
Максимальный разрядный ток, А	500
Рабочая температура, °C	-20. ..+60
Размер, мм	120х60х234
Материал корпуса	Алюминий
Вес, кг	3,4

Номинальное напряжение, В	24
Среднее разрядное напряжение в номинальном режиме разряда, В	25,2
Номинальная емкость бактареи, А∙ч	70
Непрерывный ток разряда, А, не менее	30
Пиковый ток разряда, А, не менее	50
Режим заряда:
— номинальный, ч	6
— ускоренный (90%), ч	4,5
Конечное напряжение заряда, В	29,6
Конечное напряжение разряда, В	20
Время срабатывания защиты от КЗ, мс	50-300
Удельная энергоемкость, Вт∙ч/кг	180
Ресурс (кол-во циклов), не менее	3500
Интерфейс обмена данными с СКЗ и СУ	RS485
Температурный диапазон, °C	-20. ..+40
Габариты:
— диаметр, мм	160
— длина, мм	425
Саморазряд при НУ (в месяц), %, не более	1,5
Масса, кг	9,5

Правила эксплуатации Power Bank c Li-ion и Li-Pol аккумулятором.

           Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе: литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Такие аккумуляторы имеют замечательную ёмкость и сроки службы, но требуют очень жёсткого следования определённым правилам эксплуатации.
Эти правила можно разделить на две группы:

• Не зависящие от пользователя
• Зависящие от пользователя.

В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся в самом устройстве. Эти правила просты:

• Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда. Минимальное напряжение, указанное выше, применимо к аккумуляторам с электродами, выполненными из кокса, однако большинство современных аккумуляторов имеет электроды из графита. Для них минимальное напряжение равно 3 вольта.
• Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0%, — это его ёмкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живёт подольше, но его ёмкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0-3.3 вольт, в зависимости от материала электродов, с такими же последствиями.
• Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не значительно.
• Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и переразряд и являются очень опасными для аккумулятора.

Контроллеры аккумуляторов, предназначенные для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи, могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Так, в аккумуляторе, предназначенном для, скажем, шуруповёрта или моторчика модели автомобиля, минимальное напряжение, скорее всего, будет действительно минимально допустимым, а для КПК или смартфона — повыше, ибо минимального напряжения в 2.7-3.0 вольт может просто не хватить для работы электроники девайса. Поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу контроллера, встроенного в сам аккумулятор, дополняет контроллер в самом устройстве.

Поговорим о процессе заряда литиевых аккумуляторов. Зарядное устройство любого литиевого аккумулятора представляет собой источник постоянного напряжения в 5 вольт, способный отдавать для заряда ток, равный примерно 0.5-1.0 емкости аккумулятора. Так, если емкость аккумулятора равна 1000 mA•h, зарядное устройство должно обеспечить ток заряда не менее 500 mA, а номинально — 1 ампер.
Существует несколько режимов заряда литиевых аккумуляторов.
Начнём с режима, являющегося стандартным в компании Sony. Этот режим требует длительного времени заряда, сложного контроллера, но обеспечивает наиболее полный заряд аккумулятора.

На первом этапе зарядки, длящемся приблизительно 1 час, аккумулятор заряжается током постоянной величины до достижения напряжения в 4.2 вольта на аккумуляторе. После этого начинается второй этап, длящийся также около часа, во время которого контроллер, поддерживая напряжение на аккумуляторе ровно в 4. 2 вольта, постепенно уменьшает зарядный ток. При уменьшении зарядного тока до определённой величины (порядка 0.2 от ёмкости аккумулятора) начинается третий этап зарядки, в течение которого зарядный ток продолжает уменьшаться, а напряжение на клеммах аккумулятора сохраняется на прежнем уровне — 4.2 вольта. Третий этап, в отличие от первых двух, имеет строго определенную длительность, определяемую встроенным в контроллер таймером, — 1 час. По истечении третьего этапа контроллер полностью отключает аккумулятор от зарядного устройства.
Степень заряженности аккумулятора в конце первого этапа равна 70%, в конце второго — 90%, а в конце третьего — 100%.

Многие компании, стремясь к удешевлению своих устройств, используют упрощенные режимы заряда аккумуляторов, например, прекращая заряд при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, то есть используя только первый этап зарядки. В этом случае аккумулятор заряжается быстро, но, увы, только до 70% своей реальной емкости. Определить, что в вашем устройстве именно такой, упрощенный контроллер нетрудно, — для полноценной зарядки требуется примерно 3 часа, не меньше.

Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:

• нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и, тем более, до состояния, когда машинка сама выключается, ну, а если так случилось, то нужно зарядить аккумулятор как можно скорее.
• не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается — аккумулятору это не вредит.

вопреки сложившемуся у многих пользователей мнению, перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер, конечно, ограничивает максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что ёмкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если, например, мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании машинки степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно. Такие ситуации встречаются при эксплуатации машинки, длительное время находящейся в кредле. Во время работы температура девайса и вместе с ним аккумулятора повышается, а ведь заряд уже полный…
В связи с этим правило гласит: если Вам необходимо работать в кредле, сначала отсоедините машинку от зарядки, поработайте на ней, а когда она выйдет на “боевой” температурный режим, подключайте зарядку.
Кстати, это правило также касается владельцев ноутбуков и прочих гаджетов.

Идеальные условия для длительного хранения аккумулятора — это нахождение вне девайса с зарядом примерно 50%. Исправный аккумулятор при этом не требует заботы о себе месяцами (порядка полугода).

И напоследок еще немного информации.

• — Вопреки сложившемуся мнению, литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают “эффектом памяти”, поэтому, так называемая, “тренировка” нового литиевого аккумулятора практически не имеет смысла. Для собственного успокоения достаточно один-два раза полностью зарядить-разрядить новый аккумулятор. Это нужно для калибровки дополнительного контроллера.
• — Владельцы устройств знают, что можно заряжать батарею как от зарядного устройства, так и от USB. При этом зачастую вызывает недоумение невозможность зарядки от USB. Дело в том, что по “закону” USB-контроллер должен отдавать периферийным устройствам, подключенным к нему, ток около 500 mA. Однако бывают ситуации, когда либо сам контроллер не может обеспечить такой ток, либо устройство подключают к USB контроллеру, на котором уже висит какая-то периферия, потребляющая часть мощности. Вот и не хватает тока для зарядки, особенно если аккумулятор разряжен слишком сильно.
• — Литийсодержащие аккумуляторы ОЧЕНЬ НЕ ЛЮБЯТ ЗАМОРАЖИВАНИЕ. Всегда старайтесь избегать пользования машинкой на сильном морозе — увлечетесь, и аккумулятор придётся менять. Конечно, если Вы достали машинку из тёплого внутреннего кармана куртки и сделали пару заметок или звонков, а потом положили зверька обратно, проблем не будет.
• — Практика показывает, что литиевые батареи (не только аккумуляторы) снижают свою ёмкость при уменьшении атмосферного давления (в высокогорье, в самолете). Вреда батареям это не приносит, но знать об этом следует.
• — Бывает, что после приобретения аккумулятора повышенной ёмкости (скажем, 2200 mA•h вместо штатных 1100 mA•h) машинка через пару дней пользования новым аккумулятором начинает странно себя вести: виснет, отключается, зарядка аккумулятора, вроде, происходит, но как-то странно, и т.п. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на “родном” аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой ёмкости. Выход — приобретение зарядного устройства с большим отдаваемым током (скажем, 2 ампера вместо прежнего 1 ампера).

Многие вопросы возникают из-за недопонимания как работает сама система аккумулятор-зарядка. Решил собрать в одном месте что насобирал по разным темам этого и других форумов, в публикациях. Много информации дублирует посты — но зато всё в одном месте, что лучше для понимания.

Диапазон рабочих напряжений аккумулятора

Приводимое в описаниях напряжение лит-ион аккумулятора 3,7В — это средневычисленное значение напряжения при разряде от максимального до минимального значений
Максимальное напряжение до которого обычно заряжают лит-ион аккумуляторы 4,18 — 4,20 В. Если больше — резко уменьшается срок службы аккума, меньше — уменьшается ёмкость. Управляет зарядкой контроллер зарядки на материнке коммуникатора, он же определяет и максимальное напряжение зарядки . Чтобы изменить напряжение обычно нужно перепаять контроллер. В теме про коммуникаторы Ровер обсуждалась проблема — в какой-то партии впаяли контроллеры с повышенным напряжением ( кажется 4,23 В ) — аккумуляторы стали вспухать. Сейчас правда появились контроллеры в которых основные параметры программируются. Встроенная в сам аккумулятор защита от перенапряжения обычно рассчитана на 4,3 В — аккум не взорвётся но как ограничитель при зарядке использовать нельзя, только как последний рубеж защиты аккума.
Минимальное напряжение 3,4 -3,6 В, разряжать ниже особого смысла нет — напряжение очень резко падает с разрядкой, выигрыша практически не будет. Команду на выключение даёт драйвер, причём ориентируется не на напряжение а на вычисленное или полученное от контроллера аккумулятора значение остаточного заряда. Чтобы значение 0% соответствовало реально минимальному напряжению и нужна периодическая калибровка ( если только остаточный заряд не определяется просто из таблицы напряжение — ёмкость )
Калибровка не всегда помогает — народ просто отключает драйвер. Тогда коммуникатор обычно отключается при напряжении 3,0 — 3,2 В просто от нехватки напряжения для нормальной работы. Это равносильно отключению компа выдёргиванием шнура из розетки со всеми возможными проблемами. Следует учитывать так-же возрастание внутреннего сопртивления аккума с возрастом что приводит к сильной зависимости выходного напряжения аккума от тока нагрузки и проявляется в неожиданном самоотключении коммуникатора например при звонке ( скачёк тока потребления ).
Если аккумулятор по какой-то причине разрядится ниже 3,0 В могут быть проблемы при зарядке. Если при зарядке контроллер зарядки обнаруживает что напряжение на аккуме меньше 3В, то сначала ток зарядки контроллер ограничит величиной не более 50 мА пока напряжение на аккуме не достигнет 3,0В. Режим ограничен по времени — таким способом определяются плохие аккумуляторы, зарядка которых номинальным током может привести к разгерметизации банки ( взрыву ).
Встроенная в аккумулятор защита от переразряда обычно отключает выводы банки от внешних выводов аккумулятора если напряжение упадёт ниже 2,7 — 2,4 В ( зависит от типа встроенного в контроллер аккумулятора чипа ). Здесь также будут проблемы при зарядке — доступ к выводам самой банки от внешних выводов аккума при подаче внешнего напряжение идёт через токоограничивающие цепи ( несколько десятков мА ) пока банка не зарядится до порогового напряжения.
Разряжать лит-ион аккум ниже 2 В нельзя — если он останется в таком состоянии некоторое время внутренние процессы приводят к невозможности дальнейшей эксплуатации аккумулятора ( может взорваться )

Зарядное устройство

Алгоритм зарядки и само зарядное устройство для коммуникаторов существенно отличаются от алгоритма и зарядки телефонов ряда производителей. Например телефон Nokia 6700 — у него целых два контроллера зарядки, один заряжает от фирменного «тонкого» разъёма, другой от разъёма microUSB. В первом случае контроллер забирает от ЗУ весь ток который это зарядное устройство может выдать — зарядное устройство работает в режиме с ограничением тока. Если подключить зарядку с меньшим током — аккумулятор будет заряжаться этим уменьшенным током, и наоборот. Долго не мог понять фирменные зарядки Nokia — пишут 5В и 750 мА а реально выдаёт больше 7В и сильно зависит от тока. Оказывается 5В получается если ток нагрузки равен 750 мА, при дальнейшем увеличении тока напряжение резко падает — режим стабилизации тока.
При зарядке через microUSB алгоритм совсем иной. Здесь подразумевается что зарядное устройство — просто источник стабилизированного напряжения ( что и представляет из себя источник питания порта USB компьютера ), который должен обеспечить ток затребованный контроллером зарядки. Этот ток уже не зависит от способностей зарядки — определяется самим контроллером зарядки ( лишь бы ЗУ было способно выдать зтот ток ). Забавная ситуация — у меня Nokia 6700 прекрасно заряжалась от зарядника НТС через microUSB, но отказывалась заряжаться через переходник и «тонкий» разъём ( «неподдерживаемое ЗУ» ) и наоборот — фирменная заряжала через «тонкий» и глючила через microUSB.
В коммуникаторах используется второй вариант — зарядное устройство это просто источник стабилизированного напряжения. Поскольку коммуникатор должен заряжаться и от порта USB сразу же накладываются ограничения на напряжение и максимальный ток который коммуникатор может потре*** от внешнего источника ( если не принять специальных мер , о чём ниже ) — напряжение 5В, ток не более 500 мА ( по спецификациям на USB ).
Некоторые ( например ASUS P525 — P750 ) ограничивают потребление на ещё меньшем уровне 100 мА ( максимальный ток от USB 1 или разветвителя ). Чтобы включить 500 мА, ASUS получает по интерфейсу данные от компа о нагрузочной способности соответствующего порта и включает максимальный допустимый ток. Большинство же коммуникаторов просто ограничивают ток потребления от порта 500 мА.
Мощный коммуникатор при работе может сам потре*** больше чем 500 мА, аккумулятор при таком ограничении тока от зарядного устройства будет разряжаться а не заряжаться. От ЗУ можно бы взять и побольше тока но как отличить подключение к ЗУ от подключения к порту ? Сейчас в большинстве случаев в ЗУ просто закорачивают контакты 2 и 3 ( шина данных ) в разъёме USB. Так делают в ASUS, HTC HD, HTC MAX, HTC Diamond2. Например в HTC D2 если подключить ЗУ с незамкнутыми контактами 2 и 3 контроллер зарядки ограничит потребление на уровне около 450 мА, если контакты 2 и 3 замкнуть ограничение будет уже около 900 мА. Аналогично у HTC HD и HTC MAX. У HTC X7500 иначе — там надо замыкать контакты х и 4 в миниUSB, ограничение по потреблению изменяются аналогично. В штатных зарядках ASUS Pxxx, HTC HD, HTC MAX, HTC D2 контакты 2 и 3 замкнуты.
Использовать зарядки рассчитанные на ток больше 1А смысла нет — пока не слышал о коммуникаторах в которых контроллер зарядки ограничивал бы ток потребления от зарядки на уровне больше 1А.
Зарядка от порта мало отличается от зарядки зарядным устройством — только током, конечный заряд будет одинаков. В некоторых коммуникаторах контроллер зарядки не включит зарядку пока не произойдёт обмен данными с компом ( соответственно коммуникатор должен быть включён и опознан ББ )

Зарядка аккумулятора и измерение степени заряженности

1. Контроллер зарядки ( чип на материнке коммуникатора ) занимается только зарядкой аккума и выбором источника для питания коммуникатора — внешний источник или аккумулятор. Его задача — сформировать правильный алгоритм зарядки аккума — в два этапа
1 этап — зарядка постоянным током до предельного напряжения ( около 4,2 В ). Переключение на второй этап происходит при зарядке аккумулятора до примерно 85%
2 этап — дальнейшая зарядка производися плавно падающим током при сохранении постоянным зтого напряжения ( 4,2В ). Зарядка продолжается пока ток не упадёт до величины около 3% от первоначального ( 15 -30 мА ). Этот этап занимает около часа.
После этого зарядка полностью прекращается и снова включится только если напряжение на аккуме упадёт ниже определённого значения или переподключить внешний источник ( но в этом случае критерий полной зарядки аккума будет выполнен сразу и зарядка опять прекратится ). При таком алгоритме аккумулятор зарядится максимально полно независимо от начального тока ( может быть разным — включён или выключен коммуникатор при зарядке, от какого источника заяжается ).Чип ограничивает ток потребления от внешнего источника :
Ток потребления от внешнего источника = ток зарядки аккумулятора + ток для работы коммуникатора
больше задействовано ресурсов — больше потребляет сам коммуникатор — меньше остаётся тока на зарядку.
Чип также контролирует температуру аккума — один из выводов на аккумуляторе это выход термистора расположенного в аккуме, по его сопротивлению контроллер зарядки и определяет температуру аккумулятора. Если ниже 0 градусов или выше заданного значениия — зарядка аппаратно ( в чипе контроллера зарядки ) запрещена.
Т.о. контроллер зарядки контролирует только максимальное значение напряжения на аккумуляторе, не допуская его превышения. До какого напряжения разрядится аккумулятор — его не волнует. Единственно — если при зарядке контроллер обнаруживает что напряжение на аккуме меньше 3В, то сначала ток зарядки контроллер ограничит величиной не более 50 мА пока напряжение на аккуме не достигнет 3,0В. Режим ограничен по времени — таким способом определяются плохие аккумуляторы, зарядка которых номинальным током может привести к разгерметизации банки ( взрыву ). Так же этот чип никоим образом не причастен к вычислению степени заряженности аккума.

2. С выхода контроллера зарядки нестабилизированное напряжение = напряжению аккумулятора поступает на чип менеджера питания на материнке коммуникатора, и уже этот чип выдаёт несколько стабилизированных напряжений для питания узлов коммуникатора.
Нередко нестабильная работа коммуникатора или повышеноое потребление связано с этими чипами или с их окружением ( конденсаторы, диоды и т. д. )

3. Контроллер аккумулятора ( тот что расположен в самом аккумуляторе ) в основном необходим для защиты лит-ион банки от перенапряжения, переразрядки, коротких замыканий, переполюсовки входного напряжения. Неправильная эксплуатация лит-ион аккумуляторов ( в отличие от других типов ) может привести к печальным последствиям, поэтому для них и была придумана защита в виде контроллера аккумулятора.
Во многих случаях ( но не всегда ) в контроллер аккумулятора добавляют ещё один чип, который участвует в вычислении степени заряженности аккумулятора.
Очень кратко суть: втекающий/вытекающий заряд измеряет специализированный чип в контроллере аккумулятора и передаёт информацию по однопроводному интерфейсу хосту ( коммуникатору ), драйвер обсчитывает и выдаёт %.
Если этого чипа в контроллере аккумулятора нет, степень заряженности вычисляется просто по напряжению — на материнке есть АЦП, который измеряет напряжение аккумулятора и по таблице зашитой в драйвер вычисляется степень заряженности аккума.
В большинстве современных коммуникаторов контроллеры аккумулятора имеют подобный чип. Критерий определения степени заряженности 100 % ( и зелёный индикатор ) аналогичен тому что используется в контроллере зарядки ( на примере чипа измерителя DS2780 ) : напряжение превысило максимальное значение ( порог устанавливается чуть ниже чем в контроллере зарядки ), ток зарядки постепенно уменьшается и достигает минимального уровня ( порог чуть выше чем ток при котором контроллер зарядки полностью прекращает зарядку ). Возможно там где используются другие чипы измерителя алгоритм несколько отличается. Но в любом случае — контроллер зарядки ( только он определяет как заряжать аккум и когда прекратить зарядку ) и измеритель степени заряженности ( никак не влияет когда зарядку аккумулятора закончить ) независимы друг от друга. Т.е. зелёный индикатор отнюдь не означает что зарядка полностью прекратилась ( при включённом коммуникаторе ) и наоборот: аккумулятор может быть полностью заряжен а индикатор всё никак не зеленеет ( помогает СР ).

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Нормально на разрядку аккумулятора система реагирует предупреждениями, последовательным отключением энергопотребляющих ресурсов ( WiFi и т.п. ) и отключением при 0%. Процесс измерения степени заряженности весьма инерционен и не реагирует на быстрые изменения напряжения ( в то время как электроника весьма чувствительна к кратковременным просадкам напряжения ) . А чем больше внутреннее сопротивление аккумулятора тем больше просадка напряжения при повышении нагрузки — например при входящем звонке или приёме-передаче данных.
Uвых=Uэдс — Iнагр x Rвнутр
При небольшом среднем потреблении напряжения достаточно, % степени заряженности далёк от критического — но стоит току резко возрасти ( входящий звонок — при этом импульс тока может быть весьма большим ) при большом внутреннем сопротивлении напряжение просаживается ниже допустимого предела, система отключается ( или зависает ). Внутреннее сопротивление хорошего лит-ион аккумулятора не превышает 0,2 Ом, с возрастом увеличивается в большей степени чем у аккумов других типов. Обычно чем больше ёмкость аккумулятора — меньше внутреннее сопротивление. Аналогично влияет и сопротивление контактов.

Поиск решения проблемы с аккумулятором

Зачастую проблемы с аккумулятором вызваны не банкой аккумулятора а глюками этого самого измерителя ( чипа или драйвера ).
Состояние ситемы аккумулятор-зарядка можно оценить по 4 параметрам:
1. Максимальное напряжение на аккумуляторе без нагрузки — 4,18 — 4,2 В. Если меньше — проблемы возможно с зарядным устройством ( низкое напряжение) или с контроллером зарядки на материнке коммуникатора
2. Минимальное напряжение — напряжение при котором коммуникатор отключается при работе с минимальной нагрузкой. Зависит от температуры, обычно 3,4 — 3,6 В при комнатной температуре. Если больше — скорей всего проблема с калибровкой измерителя. Разряжать ниже этих значений смысла нет — напряжение очень резко падает, заметного выигрыша не получить.
3. Внутреннее сопротивление — на хорошем лит ион обычно не больше 0,2 Ом. Проявляется в неожиданном саммоотключении устройства при резком возрастании нагрузки ( входящий звонок ) при вроде достаточном уровне зарядки. Сильно зависит от температуры — почему лит-ион плохо работают на морозе. Для примера: приехал на дачу, холодно, температура коммуникатора как на улице — около 5 град, отключился и не включается. Положил к печке, нагрелся до примерно 40 град — включился и проработал ещё минут 45.
4. Сопротивление контактов аккумулятор — тело коммуникатора. Хоть они и золочёные но бывает увеличивается. Проявляется аналогично внутреннему сопротивлению, только от температуры не зависит. Почистить стирательной резинкой ( ни в коем случае наждаком — сдерёте покрытие )

Зная ответы по этим пунктам можно что-то сказать о проблеме: виноват сам аккумулятор, какие-то программы или нужно калибровать измеритель.

 

Технические характеристики Зарядное устройство Worx WA3880

Заводские данные
Гарантия	24 мес.
Страна-производитель	Китай
Общие параметры
Тип	зарядное устройство
Модель	Worx WA3880
Основные характеристики
Платформа	Worx 20V
Поддерживаемое оборудование	ножницы-кусторез, реноватор, угловая шлифовальная машина, виброшлифмашина, минимойка, аккумуляторная отвертка, газонокосилка-робот, гайковерт, фонарь, винтоверт, дисковая пила, дрель-шуруповерт, сабельная пила, лобзик, перфоратор, цепная пила, триммер, кусторез, пылесос, газонокосилка, воздуходувка, снегоуборщик
Модели аккумуляторов	Worx WA3641, Worx WA3553, Worx WA3551.1, Worx WA3551, Worx WA3611, Worx WA3610, Worx WA3601, Worx WA3553.2, Worx WA3604
Тип заряжаемых аккумуляторов	Li‑Ion
Время заряда	1 ч
Минимальное время заряда	60 мин
Максимальное напряжение заряда	20 В
Минимальное напряжение заряда	14. 4 В
Максимальный ток заряда	2 А
Входное напряжение	220 В
Устройство аккумулятора	слайдер
Совместимость
Совместимые бренды	Worx
Совместимые модели устройств	Worx WG779E, Worx WX026.9, Worx WG751E, Worx WG744E.9, Worx WG744E, Worx WG779E.9, Worx WG779E.9 «Без ЗУ и АКБ», Worx WG779E.1, Worx WG184E.9, Worx WX028.9, Worx WG184E, Worx WG157E.9, Worx WG163E.9, Worx WG157E, Worx WG163E.2, Worx WG384E.9, Worx WG384E, Worx WX027.9, Worx WX682, Worx WG322E, Worx WX550, Worx WX529.9, Worx WX527.9, Worx WX527, Worx WX550.9, Worx WX550.1, Worx WX508.9, Worx WX508, Worx W543, Worx WX682.9, Worx W543.9, Worx WX820.9 (Без ЗУ и АКБ), Worx WX820.9, Worx WX820, Worx WX693.9, Worx WX693, Worx WX678.9, Worx WX678, Worx WG322E.9, Worx WG329E.9Ещё
Габариты и вес
Вес	0. 45 кг

аккумуляторов — безопасно ли разряжать Li-Ion до 0 В?

Опустить идеальную батарею до нуля вольт безопасно невозможно. Аккумулятор не может опуститься до нуля вольт из-за внутренней химии. При стандартном использовании вы не можете упасть ниже 2 вольт, даже если вы соединили клеммы вместе. Батареи будут варьироваться от 3,8 до 2,4 В на элемент. При падении напряжения внутреннее сопротивление увеличивается. Чем выше внутреннее сопротивление, тем меньше ток короткого замыкания. Я лично не уверен, что такое минимально возможное безопасное напряжение для литий-ионного элемента, но когда напряжение приближается к этому нижнему пределу, ток упадет почти до нуля.Смотрите в конце этого поста более подробное доказательство этого.

ПРИМЕЧАНИЕ. Сказанное выше верно для идеального аккумулятора в идеальном мире. На самом деле, вы быстро повредите аккумулятор после короткого замыкания. В этот момент внутреннее сопротивление, ток и разница энергий между половинками перестанут иметь значение.

(я знаю, что это щелочной график, я не смог найти диаграмму для литий-ионного аккумулятора, уверяю вас, он выглядит так же)

Безопасная батарея — это разряженная батарея и разряженная батарея, а разряженная батарея — это примерно 2 вольта.

Если вы снизили напряжение до нуля, я могу сказать вам, что вы сделали больше, чем просто нейтрализовали элементы, вы коренным образом изменили структуру батареи. Литий-ионные аккумуляторы чувствительны и привередливы. Я не мог догадаться, что именно происходит внутри батареи 0 В, но я могу доказать вам, что это никогда не произойдет (см. Конец), и тот факт, что это произошло, указывает на то, что ваша батарея сейчас находится в небезопасном состоянии.

Мне нравится то, что сказано в другом ответе: при 2 вольтах внутренняя энергия ~ 0.Это правда, и это хороший способ подумать об этом.

Что касается хранения, я понимаю, что хочу хранить их в безопасности. Если у вас есть опасения, вы можете защитить себя от двух вещей: дыма и огня.

Для защиты от паров хранить в хорошо проветриваемом помещении или в закрытом контейнере. Блокировка-н-блокировка работает хорошо.

Для защиты от огня хорошо подойдет шлакоблок с куском плитки или брусчатки сверху и снизу.

Что касается электрической энергии, я могу вам сказать, что, если вы не говорите о батарее для чего-то абсолютно массивного, электрическая энергия в батарее представляет относительно небольшую опасность.Больше всего вас должно беспокоить летучая природа химикатов.

Подводя итог, закорачивать батареи — плохая идея. Литий-ионные аккумуляторы рассчитаны на хранение от 2 до 4 вольт. Используйте их так, как они предназначены для использования.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Хорошо, похоже, большая путаница возникает из-за индикаторов батареи, с которыми все мы, люди 21-го века, знакомы. Эти индикаторы батареи не являются индикаторами напряжения, и, хотя измерение напряжения является частью процесса, определить процент оставшегося заряда в вашей батарее непросто. Если вы использовали ноутбук 10 лет назад, возможно, вы помните об отслаивающемся индикаторе батареи. Они были нестабильными, потому что подсчитать оставшееся время автономной работы совершенно непросто, но я объясню это:

Шаг 1: Во-первых, нам нужно посмотреть количество тока, потребляемого телефоном в настоящее время, и напряжение на клеммах батареи.

Шаг 2: Мы можем использовать эту информацию для определения внутреннего сопротивления батареи. Когда внутреннее сопротивление достигает бесконечности, батарея полностью разряжена.Обратите внимание, что никогда не бывает . На это потребуется бесконечное количество времени. Тем не менее, ваш телефон знает, какие минимальные требования к напряжению и току необходимы для работы. Теперь, если мы представим, что внутреннее сопротивление представляет собой резистор, встроенный в батарею, становится очевидным, что по мере роста значения этого резистора наступит точка, где \ $ V_ {батарея} — R_ {внутреннее сопротивление} I_ {минимальный ток}

Шаг 3: Теперь мы знаем, что внутреннее сопротивление имеет верхний предел, и мы знаем, что такое внутреннее сопротивление прямо сейчас, но выяснение того, на каком проценте времени работы от батареи мы находимся, все еще требует некоторой работы.Проблема в том, что внутреннее сопротивление не увеличивается линейно с потребляемой мощностью, а кривая, по которой оно следует, зависит от конкретной батареи, которую вы используете, нет двух абсолютно одинаковых батарей. Таким образом, ваш телефон постоянно отслеживает внутреннее сопротивление аккумулятора и выходную мощность и использует их для постоянной адаптации прогнозов срока службы аккумулятора.

Хотите доказательства? У вас когда-нибудь телефон оставался на 1% заряда батареи в течение 20 минут? Или иногда умирают на 2%? Вот и все. Это не точная наука, это оценка.И это определенно намного сложнее, чем просто измерение напряжения.

Батарея состоит из двух половинных ячеек. Одна полуячейка содержит растворенный и твердый реагент A, другая — растворенный и твердый реагент B. Перенос электронов от реагента A к реагенту B приведет к растворению A и связыванию с солью, а также к отделению B от соли и затвердеть. Для любой данной химической реакции существует определенное количество связанной энергии.

Водородный полуэлемент имеет потенциал 0 вольт, литиевый полуэлемент имеет потенциал -3.04 вольт, натриевая полуэлемент имеет -2,71 вольт. см. здесь для получения дополнительной информации.

Причина, по которой мы видим снижение напряжения по мере разряда батареи, заключается в том, что доступность химикатов в полуэлементе уменьшается, а это означает, что электронам будет труднее попасть из того места, где они находятся в одном полуэлементе, туда, где они должны быть. другая половина ячейки. Представив, что у нас есть две половинные ячейки, каждая размером с банку, и один атом растворенного реагента A в одном и один атом твердого реагента B в другом, вы можете себе представить, что вы не получите чертовски много напряжения. , большая часть энергии реакции будет затрачена только на то, чтобы доставить электроны в нужное место.

Эта редкость реагентов при разряде батареи означает, что электроны должны выполнять больше работы, чтобы перейти от одной ячейки к другой. Это проявляется в увеличении на внутреннего сопротивления и уменьшении на ТОК за счет поддержания номинального напряжения. Полагаю, я мог бы неохотно допустить, что после миллиардов лет подключения возможно, что вы могли бы достичь нуля вольт, когда был использован каждый отдельный атом A, но внутреннее сопротивление в этой точке было бы тривиально огромным, а ток тривиально небольшой.Достаточно сказать, что всего через несколько минут или часов у вас будет номинальное напряжение ~ 2 вольта.

Я чувствую необходимость уточнить, что я знаю, что это не соответствует эмпирическим данным (т.е. что напряжение можно сбросить до нуля, соединяя ячейки вместе). Я это понимаю. Аккумулятор перестает вести себя так, потому что он сильно поврежден.

Хорошо, у вас есть схема для постепенного отключения электроэнергии. Вы не можете, вернее, уже сделали. Как только он достигнет определенного нижнего предела (около 2 вольт), вы больше не сможете потреблять значительный ток от батареи.Остались только концентрации реагентов ppm, и их недостаточно для создания значительного тока. Измерьте сопротивление литий-ионной батареи при постоянном токе. Я поискал график в Интернете, все, что я нашел, это щелочные батареи, но график такой же для литий-ионных аккумуляторов. По мере того, как вы рисуете все больше и больше, внутреннее сопротивление будет достигать вертикальной асимптоты, возрастая до бесконечности.

Что на самом деле происходит после этого? Что происходит, когда вы пытаетесь получить от батареи больше энергии, чем она может дать на самом деле? Я не знаю.Слишком много переменных, чтобы точно предсказать возможные реакции, нарушения и т. Д. Все, что я могу вам сказать, это то, что в батарее есть ограниченный ток, но этот ток всегда будет иметь постоянное напряжение.

Идея о том, что питание всегда подается с постоянным напряжением, кажется вам беспокоит, поэтому я прошу вас думать об этом так: 2 9-вольтовые батареи имеют БОЛЬШЕ напряжения, чем автомобильный аккумулятор. Кроме того, вы можете подключить параллельно 100 автомобильных аккумуляторов и при этом получать только 12 вольт.

Это потому, что напряжение ячейки является функцией реакции: двух химических веществ, находящихся в ячейке. Если вы сделаете автомобильный аккумулятор размером с цилоцилиндр, это будет 2 вольта, потому что реакция — два вольта. Если бы вы сделали автомобильный аккумулятор размером с десять центов, это было бы 2 вольта, потому что реакция — два вольта. Поскольку данный электрон выделяет определенное количество энергии при движении из точки A в точку B.

Тем не менее, то, насколько много электронов он способен одновременно вытолкнуть, является функцией размера и функцией емкости.По мере того, как батарея становится «мертвой», она сможет выталкивать все меньше и меньше электронов по мере того, как в ней заканчивается реагент. Через миллиард лет в нем не останется никаких реагентов, но реакция, которой не происходит, все равно будет реакцией на ~ 3 вольта.

Это выражается в единицах измерения вольт, а именно: $$ \ frac {N m} {C} $$

\ $ Nm \ $ — это единица работы. \ $ C \ $ — определенное количество электронов. Следовательно, вольт — это единица работы на электрон, величина, показывающая, сколько работы может совершить данный электрон.{12} \ $ электронов, каждый из них выполняет одинаковую работу. Таким образом, напряжение батареи уменьшается только потому, что она приобретает определенное внутреннее сопротивление, и электронам нужно будет проделать больше работы, чтобы добраться до клемм батареи. Реакция по-прежнему выделяет ту же энергию в расчете на один электрон.

Я понимаю, что эту концепцию трудно понять и что существует сильная тенденция думать, что напряжение батареи связано с ее величиной и ее «полной» степенью в процентах.Тем не менее, это не точное отражение того, как работают батареи, и их работа в противном случае противоречит самым основам электрохимии.

Если на этом этапе вы все еще не уверены, я должен посоветовать вам пройти курс по электрохимии, страница Википедии очень полезна, и я уверен, что существует бесконечный запас руководств YouTube по этому вопросу.

Cool. Но вопрос не в том, «можно ли это сделать безопасно?» Конечно, может быть, есть какой-то способ заставить литий-ионный аккумулятор работать при нулевом напряжении, не выделяя испарений (которые вы, к сведению, не сможете обнаружить, пока не заболеете от них).Вопрос не в том, возможно ли это сделать физически без взрывов, вопрос в безопасности. Хотя вы можете это сделать, и хотя может быть безопасным при некоторых обстоятельствах , это не безопаснее , чем просто оставить их на 2 вольта, и, я бы сказал, что есть больше рисков. .

В конечном счете, решать вам, но я могу вспомнить множество причин, по которым разряжать батареи таким способом небезопасно, и не вижу в этом никакой пользы.

Проголосуйте за или отметьте правильно, если вы нашли этот ответ полезным

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 (тип 7,4 В)

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

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 большей емкости, чем вы хотели бы в идеале, чтобы 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 занимает третье место по величине атомной массы 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 его срок службы. Потеря емкости начинается с момента изготовления батареи и происходит даже тогда, когда батарея не используется. Разные температуры хранения приводят к различным 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). При использовании 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 продукты 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 аккумулятор 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 является неточным, 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 в себя 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 примерно 40-60%. Литий-ионные батареи не следует часто полностью разряжать и перезаряжать («с глубоким циклом»), как никель-кадмиевые батареи, но это может потребоваться примерно после каждой 30-й перезарядки для повторной калибровки любого внешнего электронного «указателя уровня топлива» (например.грамм. 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 аккумуляторы 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 при 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 заряда

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 обычных литиевых батарей: + 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 высокой температуре 60 ° C, но, вероятно, с удалением гарантий на характеристики, указанные в таблице 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 повышая 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 классифицировать литиевую батарею как неопасный груз, она 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 грузовик может перевозить ящики, полные ноутбуков, каждый со своей батареей, даже если общая емкость батарей намного превышает 100 Втч.Подумайте также о самолете, многие пассажиры которого перевозят 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, в результате чего он нагрелся, а затем был переведен на зарядку, термистор должен защитить зарядное устройство от работы до тех пор, пока аккумулятор не остынет в достаточной степени. Термистор также добавляет уровень защиты, если аккумулятор слишком нагревается во время зарядки.

Литий-полимерный и литий-ионный

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 использование специализированных аккумуляторных компаний для создания таких типов аккумуляторных блоков настоятельно рекомендуется, 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 на батарею!). Например, аккумуляторная батарея емкостью 500 мАч имеет предпочтительный ток быстрой зарядки 500 мА.

Обратите внимание, что из-за того, что большая часть цикла зарядки является постоянным напряжением, 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 обеспечивать это только в 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 на 3 А или 3,5 А, а не зарядный раствор на 24,8 А 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 аккумулятора, 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.

Пожалуйста, 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.

Анализ напряжения Li-ion

Важно отметить, что все литий-ионные элементы, включая литий-ионные элементы, содержащиеся в наших мобильных энергоцентрах, чувствительны к напряжению. A Длительное состояние низкого напряжения в литий-ионном элементе может вызвать растворение металлов (в основном меди). Медь растворяется в растворе электролита при напряжении холостого хода ниже ~ 0,7 В. Эта растворенная медь повторно покрывается слоем внутри элемента при последующей зарядке и может вызвать нежелательные эффекты и почти наверняка поставит под угрозу производительность элемента (, например, . Низкая емкость, низкий срок службы, высокий саморазряд).

Точно так же высокое напряжение также может вызвать деградацию литий-ионных элементов, особенно при повышенной температуре.Когда литий-ионный аккумулятор подключен к зарядному устройству, зарядка продолжается по заданному пути до тех пор, пока схема не обнаружит состояние заряда («SOC») 100%. После этого зарядка прекращается, и аккумулятор очень медленно разряжается. Для клеток вредно содержание 98-100% SOC в течение продолжительных периодов времени (т.е. более 10 дней). Вот почему многие элементы могут разряжаться примерно до 95% SOC или менее перед повторным инициированием зарядки, даже когда они подключены к зарядному устройству.

Природа литий-ионных элементов такова, что соотношение между состоянием заряда («SOC») и напряжением довольно ровное на протяжении большей части диапазона разряда элемента.Типичная кривая напряжения разряда показана ниже:

Быстрое падение напряжения в конце цикла разряда позволяет относительно точно определить, когда закончится энергия. Однако это также означает, что SOC падает намного быстрее и может привести к чрезмерному разряду, если элемент или батарею оставить в течение длительных периодов времени при низком SOC. Это связано с тем, что литий-ионные элементы обладают собственной скоростью саморазряда, не зависящей от какой-либо нагрузки в цепи.Эта скорость саморазряда довольно низкая при комнатной температуре около 20-25 ° C или ниже. Типичные значения составляют около 2% в месяц. Однако этот показатель может более чем удвоиться, если клетки подвергаются воздействию высоких температур. Кроме того, температура окружающей среды может иметь сильное влияние на кривую напряжения разряда и должна учитываться при транспортировке и хранении, когда элементы могут подвергаться воздействию экстремально высоких или низких температур.

Хорошо спроектированные литий-ионные батареи, например, от Silicon Lightworks, включают цепи безопасности, которые защищают элементы как от высокого, так и от низкого напряжения.Однако естественный саморазряд внутри элементов может привести к состоянию низкого напряжения, если элементы остаются незаряженными в течение длительных периодов времени. Таким образом, мы рекомендуем полностью проверять цикл вашего Mobile Power Center не реже одного раза в шесть месяцев (т. Е. Полностью заряжать и разряжать), а затем подзаряжать до SOC примерно 30-70% (т. Е. До тех пор, пока на указателе уровня топлива не загорятся 2 или 3 световых индикатора. Мобильного энергоцентра). Это обеспечит максимальную производительность аккумулятора и продлит срок его службы.

Li-Ion BMS — Белая книга

Выдержит ли клетка, будучи полностью разряженной, зависит от ее химического состава:

• некоторые элементы любят время от времени разряжаться (например,г .: NiCd)
• некоторые не против (например: NiMH)
• некоторые возражают, но выживают, хотя и не в таком хорошем состоянии (например, свинцово-кислотная)
• некоторые из них необратимо повреждены (например: Li-Ion, напряжение которого не может быть ниже 2,0 В)

Ни одна ячейка не выдерживает обратного заряда, независимо от ее химического состава.
После того, как элемент разряжен, продолжение пропускания через него разрядного тока изменит его положение (полярность его напряжения изменится на обратную). Это вряд ли произойдет с небольшим блоком питания, но становится все более вероятным в батареях, в которых последовательно соединено все больше и больше ячеек.
В высоковольтной батарее, в которой много ячеек последовательно, существует гораздо большая вероятность того, что общее напряжение батареи не будет равномерно разделено между ее ячейками.

Теоретически, если аккумулятор начинает идеально сбалансирован, когда он заполнен, все элементы будут разряжаться равномерно, и все их напряжения будут оставаться синхронизированными, вплоть до разряда. В действительности, емкости ячеек будут несоответствующими, и элементы с наименьшей емкостью первыми достигнут низкого напряжения. (Если только ячейки не были предварительно отобраны и сопоставлены, чтобы иметь точно такую ​​же емкость.)

Батарея с 10 последовательно соединенными элементами LiFePO4 (минимальное безопасное напряжение которых составляет 2,0 В) вполне может иметь общее напряжение 20 В. Но неизвестно, могут ли одни ячейки иметь напряжение 3,0 В, а другие — 1,5 В.

Аккумуляторы LiIon плохо справляются с чрезмерной разрядкой; будучи разряженными, они не могут производить больший ток, поскольку другие последовательно соединенные элементы продолжают это делать. Их напряжение быстро падает после разряда, поэтому очень легко снизить их напряжение до уровня ниже 2,0 В или даже поменять местами.

Чрезмерная разрядка высоковольтной батареи: наиболее разряженная ячейка имеет пониженное напряжение (слева) или даже наоборот! (верно)

Различные аккумуляторные нагрузки по-разному справляются с низким напряжением аккумуляторной батареи:

• Некоторые аккумуляторные нагрузки продолжают потреблять ток, пока есть некоторое напряжение аккумулятора (например, лампа)
• Некоторые отключаются, когда им не хватает напряжения для работы (например: преобразователь постоянного тока в постоянный),
• Некоторые отключаются при программируемом напряжении (например: контроллеры двигателей более высокого качества),

Даже нагрузка с отсечкой по низкому напряжению не может предотвратить эту проблему: общее напряжение батареи может быть выше точки отсечки, но отдельная ячейка может быть чрезмерно разряжена.Вы можете чувствовать себя комфортно, используя 10-элементную батарею LiFePO4 с моторным приводом с отсечкой низкого напряжения 25 В, что на 5 В выше минимума 20 В. Но на самом деле вы можете повредить самые разряженные элементы и не знать об этом!

Разряд с низковольтной отключающей нагрузкой: наиболее разряженные элементы ниже 2,0 В!

Вот почему BMS (система управления батареями) необходима при разряде литий-ионных аккумуляторов высокого напряжения. BMS не только сообщит вам, если напряжение ячейки слишком низкое.При правильном подключении к нагрузке, как только какая-либо ячейка достигает минимального разряженного напряжения, BMS отключит нагрузку.

Разрядка с помощью BMS, контролирующей нагрузку (слева). Разряд прекращается (справа), когда наименее заряженный элемент достигает своего минимального напряжения, даже если общее напряжение батареи все еще может быть выше точки отключения нагрузки по низкому напряжению.

В частности, в транспортном средстве BMS может постепенно сообщать водителю двигателя, что нужно уменьшить доступный привод, позволяя пользователю все еще вернуться домой.

Преимущество использования BMS заключается в том, что программируемое отключение по низкому напряжению не требуется: подойдет любая нагрузка, даже резистивная, если BMS может ее включать и выключать.

«Отключение при низком напряжении: ложное чувство безопасности» Давиде Андреа под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License. Разрешения, выходящие за рамки данной лицензии, можно получить, связавшись с автором.

Давиде Андреа, Элитион, 1/8/09

Анализ переразряда и старения литий-ионных элементов

Безопасность

Литий-ионные батареи (LIB) превратились в краеугольный камень в качестве источника питания при разработке портативных систем в основном из-за их удельной мощности и удельной энергии. ¹ Их широкое использование в повседневной жизни наряду с их возможностью катастрофического отказа делает аспекты безопасности приоритетными. ² Некоторые из получивших широкую огласку случаев отказов LIB привлекли внимание к потенциальным рискам для здоровья, которые могут возникнуть. Например, отказ аккумуляторов Samsung Galaxy Note 7 из-за производственных и конструктивных проблем привел к перегреву и возгоранию. ³ Другой инцидент произошел с Boeing 787 Dreamliner, когда самолет приземлился в Бостоне, и в кабине был обнаружен дым от вспомогательной силовой установки, переходящий в режим теплового разгона. ⁴ В обоих этих инцидентах произошло непреднамеренное внутреннее короткое замыкание (ISC) батарей, которое привело к катастрофическому отказу и поставило под угрозу безопасность человека. ⁵ Внутреннее короткое замыкание может быть вызвано механическим, ⁶ тепловым, ⁷ и электрохимическим ⁸ неправильным обращением, обычно в исследовательских целях. Однако непреднамеренное внутреннее короткое замыкание может произойти по нескольким причинам и может включать в себя неправильное обращение со стороны пользователя или непреднамеренный запуск элемента выше (избыточный заряд) или ниже (избыточный разряд) безопасного окна напряжения.Чтобы предотвратить внутреннее короткое замыкание из-за перезарядки и чрезмерной разрядки, система управления батареями (BMS) поддерживает элемент в пределах рекомендованного диапазона напряжения и может контролировать элементы, чтобы обнаруживать неисправные элементы в батарее, прежде чем они станут проблемными. ⁹ BMS также может гарантировать, что элементы будут заряжаться и разряжаться надлежащим образом, учитывая, что каждый элемент в батарее будет иметь разную емкость заряда и разряда. ¹⁰ Хотя хорошо известно, что конструкция BMS должна позволять мониторинг напряжений отдельных элементов / банков ячеек, не все конструкции батарей учитывают это.Дисбаланс электрической нагрузки влияет не только на электрохимические характеристики отдельных ячеек, но и на их тепловую реакцию. Jeevarajan et al. показали, что одиночная неуравновешенная ячейка в последовательной цепочке может привести к высоким температурам по всей цепочке и возможному катастрофическому событию. ^11,12 По этой причине важно не только хорошо контролировать LIB, но и хорошо понимать отказ, вызванный переразрядкой, и его последствия для безопасности.

Избыточный разряд

Избыточный разряд — это явление, которое происходит, когда элемент разряжается за пределы нижнего безопасного предела напряжения, определяемого химической связью электродов. ¹³ Избыточный разряд является потенциальной проблемой для больших аккумуляторных блоков, поскольку элементы разряжаются с одинаковой скоростью, несмотря на разную емкость. Рассмотрим три литий-ионных элемента: два полностью заряженных и один с уровнем заряда 50% (SOC). Если они соединены последовательно, а затем подключены к электрической нагрузке, частично разряженный элемент полностью разрядится раньше двух других и будет вынужден реверсировать напряжение другими элементами, если нагрузка остается включенной. Хотя это не обязательно создает угрозу безопасности, это приводит к выходу электродов за пределы их нормального диапазона потенциалов и отрицательно сказывается на сроке службы. ¹⁴ Lai et al. показали, что даже однократный сверхразряд, если он достаточно велик, может навсегда повредить LIB через ISC. ¹⁵ Jeevarajan et al. показали, что чрезмерная разрядка элемента в блоке аккумуляторных батарей, последовательная или параллельная, может распространять деградацию в окружающих элементах в результате компенсации чрезмерной разрядки элемента. ¹¹

Механизмы деградации, вызванной избыточным разрядом, на свежих клетках были ранее изучены. Maleki et al.показали, что переразряд является фактором, который приводит к набуханию литий-ионных карманных ячеек из-за разложения слоя интерфейса твердого электролита (SEI) и выделяемых из него газов. ¹⁶ Fear et al. показали, что чрезмерный переразряд приводит к растворению медного токосъемника (Cu) с анода и осаждению на катоде, сепараторе и поверхности анода. ¹⁷ Они обнаружили, что растворение Cu зависит от скорости C и происходит, когда полное напряжение ячейки становится отрицательным, а потенциал анода больше 3.54 В против Li / Li ⁺ .

Цикл

LIB подвергаются деградации даже при нормальном циклическом режиме, как показано He et al. об их исследовании циклирования цилиндрических элементов A123 18650, которые снизили их емкость на 20% после 1750 циклов. ¹⁸ Основными механизмами разложения являются потеря запасов лития и активного материала, а также разрушение ионных и электронных элементов. ¹⁹ Побочные реакции между графитом и электролитом приводят к образованию пленки SEI на поверхности электродов. ²⁰ SEI предотвращает дальнейшую коррозию графита и восстановление электролита, но его непрерывный рост со временем может повлиять на размер и структуру пор, смачиваемость электролита, контактное сопротивление отрицательного и положительного электродов, а также на пористость электрода. Литиевое покрытие — это еще одна побочная реакция, состоящая в осаждении металлического Li на поверхности анода. При непрерывном циклировании из-за уменьшения пористости графитового электрода и уменьшения кинетики из-за увеличения толщины SEI перенапряжение на аноде увеличивается, и распределение тока во время зарядки становится неоднородным. ²¹ Это приводит к накоплению металлического Li на поверхности частиц и, следовательно, к анодному потенциалу ниже 0,0 В по сравнению с Li / Li ⁺ . ²² Литиевое покрытие увеличивается при более низкой температуре ²³ из-за более медленной диффузии и увеличивается с увеличением скорости зарядки ²⁴ , поскольку более высокие токи приводят к увеличению скорости реакции ионов лития на поверхности графитовых частиц и менее равномерной текущее распределение. Литиевое покрытие также приводит к нескольким проблемам безопасности, таким как внутреннее короткое замыкание и тепловой разгон.В экстремальных условиях изменения морфологии электродов из-за интеркаляции и деинтеркаляции сверх их обратимого предела вызывают механические напряжения, приводящие к структурному повреждению и растрескиванию.

Текущая работа

Несмотря на то, что существуют обширные исследования деградации, вызванной старением и избыточным разрядом, все еще существует пробел в знаниях о влиянии циклического использования LIB в условиях избыточного разряда. Целью данной работы является понимание механизмов деградации литий-ионных карманных ячеек при циклическом изменении уровня переразряда.Цель исследования — дать представление о возможном взаимодействии между растворением Cu из токоприемника и Li, нанесенным на графит. Взаимодействие между циклированием и избыточным разрядом характеризуется электрохимическими характеристиками всей ячейки и морфологическими изменениями электродов / сепаратора.

В данном исследовании используются коммерческие литий-ионные карманные элементы, полученные от известного поставщика, с катодом из оксида лития-кобальта (LCO) и графитовым (C) анодом с номинальной емкостью 5,0 Ач.Ячейка имеет 23 двухсторонних слоя графита, 22 двойных слоя LCO и два односторонних слоя с покрытием по краям. Сепаратор состоит из полипропилена / оксида алюминия (PP / Al ₂ O ₃ ). Электрохимические испытания проводят при температуре окружающей среды с помощью тестера аккумуляторных батарей (Арбин, БТ-2000). Частота дискретизации для всех тестов — 1 Гц.

Примеры исследований

Как описано ранее, продвижение элемента на большую глубину разряда может вызвать растворение анодной медной подложки.Потенциал начала растворения меди зависит от соединения активного материала электродов, конфигурации ячейки и скорости разряда. Верхний предел напряжения для этого начала может быть получен путем разряда ячейки с низкой скоростью C, и он находится в диапазоне от -0,5 до -1,4 В. ¹⁷ Чтобы подтвердить потенциал окисления Cu для этого конкретного соединения электродных материалов, третий электрод встроен в ячейку. Небольшой электрод сравнения (RE) из медной проволоки с активным материалом из титаната лития (LTO, Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) на его плоском кончике готовят по методу, предложенному Minter et al. ²⁵ Процедура гарантирует наличие стабильного потенциала электрода сравнения (1,564 против Li / Li ⁺ ) на различных стадиях переразряда, показанных на рис. 1a. Подготовка трехэлектродной ячейки и введение RE проводят в перчаточном боксе, заполненном аргоном (MBraun, H ₂ O <0,5 ppm, O ₂ <0,5 ppm). После того, как эталонный электрод включен и заряжен до 50% SOC, он вставляется в ячейку с медным проводом, выходящим из ячейки, и герметизируется эпоксидной смолой, чтобы избежать испарения электролита.Ячейка полностью заряжена до 4,2 В перед чрезмерной разрядкой со скоростью C / 10. Напряжение ячейки и электродные потенциалы контролируются одновременно, и результаты показаны на рис. 1а. Нормальное циклирование происходит, когда элемент работает в пределах диапазона напряжения, рекомендованного производителем, то есть E = [4,2, 2,7] В. Этот диапазон представляет собой оптимальные электрохимические условия, при которых элемент будет обеспечивать наибольший срок службы при безопасной эксплуатации. Незначительный переразряд имеет место, когда элемент разряжается сверх нижнего рекомендованного предела отсечки, не достигнув точки обратного потенциала, т.е.е., E = [2,7, 0,0] В. Точка обратного потенциала представляет состояние, при котором потенциал анода становится больше, чем потенциал катода, как показано на рис. 1b. Возникновение обратного потенциала используется для различения условий слабого и глубокого переразряда.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. Выбор нижнего напряжения отсечки для испытания на старение в условиях переразряда.(a) Полное напряжение ячейки, а также катодный и анодный потенциалы, измеренные во время избыточного разряда до 150% DOD в трехэлектродном мешочном элементе; (b) явления деградации, связанные с каждой стадией избыточного разряда. В условиях экстремального переразряда растворение меди и ее осаждение на поверхности катода приводит к остановке электролизера. На основании этих условий выбираются четыре нижних значения напряжения отсечки: 2,7 В (нормальный разряд), 1,5 В (небольшой переразряд), 0,0 В (появление обратного потенциала) и -0,5 В (глубокий переразряд).

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Протокол цикличности

Тест цикличности разработан таким образом, чтобы можно было изучить совокупный эффект езды на велосипеде при различных уровнях переразряда. В соответствии с предварительным анализом разумно выбраны четыре нижних значения напряжения отсечки: E _нижнее = 2,7, 1,5, 0,0 и -0,5 В. Случай с преобладанием старения, E = [2,7, 4,2] В, соответствует циклическому режиму в пределах диапазона напряжения, рекомендованного производителем. , где в основном должны происходить процессы литирования / делитирования Li ⁺ и постепенное загустение SEI.Второй случай состоит из условия небольшого переразряда, E = [1,5, 4,2] В, при котором ожидается делитирование вместе с разложением SEI. Возникновение обратного потенциала, E = [0,0, 4,2] В, выбрано в качестве третьего случая исследования. В этих условиях запасы лития из графита почти исчерпаны, и повреждение слоя SEI становится серьезным. Четвертый случай исследования состоит из состояния глубокого переразряда, то есть процесса разряда, выходящего далеко за пределы условия обратного потенциала, E = [−0.5, 4.2] V. Выбор этого условия важен, поскольку необходимо обеспечить цикличность. Предыдущие исследования показали, что существует порог DoD (глубина разряда), после которого элемент больше не может работать в цикле. ^17,26 Для этой ячейки пороговое напряжение соответствует глобальному минимуму напряжения из рис. 1b, E = -0,832 В (5,218 А · ч ≈ 104% DoD). Таким образом, при -0,5 В ячейка уже пересекла состояние обратного потенциала, не пересекая порог отключения ячейки. Цикл наряду с состоянием избыточного разряда состоит из циклического переключения элемента со скоростью C / 10 в пределах окна базового напряжения с последующими циклами со скоростью 1C в каждом из четырех описанных выше случаев.Начальная зарядка с низкой скоростью C в начале включена, чтобы обеспечить состояние полной зарядки в первом цикле. Старение при испытании на избыточный разряд прекращается, когда элемент демонстрирует снижение емкости (CF) на 20% относительно номинальной емкости (5 Ач) или в случае сбоя зарядки.

Внутреннее сопротивление элемента (IR) измеряется в конце заряда, R _{Int, C} , и разрядки, R _{Int, D} , с использованием встроенной функции IR от аккумуляторной системы.Функция IR подает 10 импульсов тока с амплитудой тока 1С (5 А) в течение 100 мс. После каждой зарядки и разрядки ячейке дают возможность достичь теплового и электрохимического равновесия, оставляя ее в покое в течение 25 минут перед подачей последовательности импульсов. В каждом цикле оба значения IR собираются и используются для определения следующего безразмерного параметра.

Φ _R был ранее определен Juarez et al. как индикатор состояния здоровья (SoH). ²⁷ Внутреннее сопротивление достигает максимальных значений, когда элемент полностью заряжен и полностью разряжен.Между двумя крайними значениями SOC внутреннее сопротивление уменьшается и имеет кривую, похожую на ванну. По мере того, как ячейка деградирует, IR в двух экстремальных условиях будет увеличиваться, и Φ _R будет учитывать эти изменения.

Температура ячейки и окружающей среды регистрируется с помощью термопары Т-типа (Omega), прикрепленной к поверхности ячейки пакета. Тепловыделение оценивается по тепловому отклику ячейки с использованием метода обратной теплопередачи, предложенного Mistry et al. ²⁸ Детали расчета и метод аналогичны описанным Juarez et al.об их исследовании старения в условиях разных крайностей завышения цен. ²⁷

Разрушающий физический анализ

В конце жизненного цикла ячейки подвергаются разрушающему физическому анализу (DPA) в наполненном аргоном перчаточном боксе для дальнейшего понимания механизмов отказа. Инертная среда помогает сохранить доказательства деградации, индуцированной на каждом из компонентов клетки, для дальнейшего анализа. Описание пошаговой процедуры извлечения электродов и сепаратора можно найти в Приложении.Все ячейки открыты в полностью разряженном состоянии, чтобы снизить риски ISC. Сначала делается фотографическое свидетельство отдельных электродов. Затем репрезентативные образцы от электродов и сепаратора собираются и анализируются с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (SEM) (Hitachi S4800) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). Ускоряющее напряжение 30 кВ и ток 10 мкМ А используются для получения изображений электродов на сканирующем электронном микроскопе. Ускоряющее напряжение 10 кВ, 5 μ A и условия низкого вакуума используются для получения СЭМ-изображений сепараторов.

Характеристики цикла

Протокол, используемый для старения ячеек в условиях переразряда, проиллюстрирован на рис. 2a с профилем циклирования, соответствующим ячейке, циклически меняющейся в диапазоне напряжений [0,0, 4,2] В. Протокол циклирования показывает, что расширение более низкое напряжение отсечки от 2,7 до 0,0 В занимает короткое время, т. е. достигается очень небольшая дополнительная мощность. График также показывает неравномерное повышение температуры между процессами заряда и разряда. В нормальных условиях цикла температура в конце разряда выше, чем в конце процесса зарядки, в основном из-за разной скорости внедрения лития в графит и LCO. ²⁹ В этом случае разница между максимальными температурами во время разрядки и зарядки составляет примерно 20 ° C.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. Долговременные характеристики ячеек, выдержанных в различных условиях переразряда. (a) Типичный протокол цикла, соответствующий ячейке, состарившейся при возникновении состояния обратного потенциала, E = [0,0, 4,2] В. (b) Сравнение срока службы цикла на основе разрядной емкости.Емкость и кулоновский КПД для (c) случая с преобладанием старения, 2,7 В; (г) случай небольшого переразряда, 1,5 В; (e) случай возникновения обратного потенциала, 0,0 В; и (е) случай глубокого переразряда, −0,5 В.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Влияние изменения нижнего порога на продолжительность цикла отражается на графике уменьшения мощности, рис. 2b. Начальная разрядная емкость для каждой из четырех ячеек показывает незначительное увеличение с 5,00 Ач до 5,33 Ач, когда нижнее напряжение отсечки увеличивается с 2.От 7 до -0,5 В. Количество циклов включения элемента также значительно уменьшается при уменьшении более низкого напряжения. На рисунках 2c – 2f показаны зарядно-разрядная емкость (Q) и кулоновский КПД ( η ) для продолжительности цикла для четырех исследованных условий циклирования. На каждом графике показан очевидный цикл, в котором ячейка начинает разлагаться с большей скоростью, на основе более быстрого исчезновения емкости и максимальной кулоновской эффективности. Ячейка, которая была циклически включена в рекомендуемом диапазоне напряжений, потеряла 20% емкости от своей номинальной емкости после 287 циклов, рис.2c. После 165 циклов кулоновский КПД показывает неустойчивую тенденцию из-за деградации, происходящей внутри ячейки. Точно так же для случая 1,5 В общее количество циклов сокращается до 220, рис. 2d, и нестационарный кулоновский КПД возникает на 145-м цикле. В обоих случаях основным механизмом деградации является утолщение SEI. Предыдущие исследования связывали нестабильность кулоновской эффективности с началом литиевого покрытия, вызванным ограничениями транспорта электролита, связанными с закупоркой пор из-за SEI. ³⁰ Значительное сокращение общего количества циклов происходит, когда ячейка переводится в состояние реверсирования. Ячейке, работающей при напряжении 0,0 В, требуется всего 28 циклов для достижения 20% CF, рис. 2e, и ячейка начинает разлагаться быстрее сразу после 8 циклов. Жизненный цикл сокращается еще больше до 14 циклов для случая глубокого переразряда при -0,5 В, рис. 2f, в котором элемент деградирует быстрее после 6 циклов. Тест был остановлен после того, как ячейка вышла из строя из-за внутреннего короткого замыкания. Несмотря на то, что в элементе одновременно происходит нанесение литиевого покрытия и растворение меди, возможной причиной отказа элемента является набухание элемента, которое в конечном итоге приводит к прямому контакту между электродами.

Оценка SoH имеет большое значение для аспектов безопасности приложений первичного использования LIB и их способности быть переработанным и использоваться во вторичном применении. ³¹ В отличие от предыдущих работ, настоящий анализ фокусируется на аналитическом определении момента, когда деградация усиливается и SoH распадается. Первоначальной попыткой является дифференциальный анализ параметров жизненного цикла из рис. 2c – 2f. Во-первых, разрядная емкость и кулоновская эффективность подбираются с использованием полиномов третьего и шестого порядка, соответственно, до вычисления производной подгоночных кривых.Точка перегиба (d ² Q / dN ² = 0) из кривых дифференциальной производительности, рис. 3a – 3b, указывает точку, в которой скорость замирания емкости увеличивается. Аналогичным образом точка максимума дифференциальной кулоновской эффективности (d η / dN = 0) может быть интерпретирована как индикатор SoH. До этого момента низкая кулоновская эффективность связана с уменьшением запасов лития, вызванным образованием SEI. ³² Как только элемент пересекает точку максимума, η снова уменьшается из-за накопленной деградации и возможного появления литиевого покрытия.Плоский параболический тренд кулоновской эффективности дает множественные нули, обнаруженные на кривых d η / dN, рис. 3c – 3d. Из всех возможных нулей наиболее близким к циклу, показанному на рис. 2, является тот, который выбран в качестве начала для более быстрой деградации.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. (a), (b) Дифференциальная емкость и (c), (d) дифференциальная кулоновская эффективность для продолжительности цикла ячеек, выдержанных в условиях избыточного разряда.Точки перегиба дифференциальной емкости можно интерпретировать как начало быстрой деградации. Цикл, в котором происходит обострение деградации, является ближайшим к циклу, показанному на рис. 2. Максимальная кулоновская эффективность, представленная нулями, используется в качестве индикатора SoH.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Несмотря на то, что ИК ранее использовался для исследования влияния сопротивления на деградацию и снижение емкости, ³³ его зависимость от SOC может повлиять на полученные выводы.ИК-излучение максимизируется, когда элемент полностью заряжен и полностью разряжен, и уменьшается между ними. ³⁴ При нормальных условиях цикла значения R _{Int, C} и R _{Int, D} почти равны, как показано на рис. 4a, на протяжении всего срока службы. По мере увеличения нижнего напряжения отсечки на рис. 4b – 4d, заряд IR остается квазипостоянным и увеличивается только в конце срока службы. Между тем, ИК разряда показывает значительное увеличение в начале теста, которое зависит от степени переразряда и уменьшается по мере старения элемента из-за миграции Cu от анода к катоду.Из рис. 4a – 4d. Во-первых, значение IR зависит не только от SOC, но и от величины напряжения отсечки; и, во-вторых, ИК не всегда значительно увеличивается с возрастом.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Эволюция внутреннего сопротивления заряда / разряда с цикличностью и числом деградации для ячеек, выдержанных при различных уровнях переразряда, E _ниже = (a) 2.7 В, (б) 1,5 В, (в) 0,0 В и (г) -0,5 В. При увеличении нижнего значения напряжения отсечки увеличивается IR в конце процесса разряда, в то время как IR в конце заряда остается постоянный. Ускоренная деградация происходит, когда Φ _R увеличивается с большей скоростью.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

На основе обоих значений IR, третье устройство оценки SoH, Φ _R , определенное уравнением. 1, рассчитан и показан на рис. 4a – 4d. В начале испытания на старение элементы, циклически включенные в безопасном окне напряжения, удовлетворяют условию, что R _{Int, D} > R _{Int, C} и, следовательно, Φ _R <0.Определение Φ _R = 0 как начало усугубленной деградации имеет смысл, если клетки перегружены, так как R _{Int, C} увеличивается быстрее, чем R _{Int, D} и в какой-то момент R _{Int, C} > R _{Int , Д} . ²⁷ Для переразряженных элементов, 0,0 и -0,5 В, R _{Int, D} R _{Int, C} , отсюда Φ _R 0. Даже если аккумулятор деградирует быстрее, Φ _R может не обязательно равняется нулю, рис. 4c – 4d, и его нельзя использовать для оценки в качестве справки.Вместо этого впадина на кривой Φ _R представляет начало усугубленной деградации на фиг. 4a – 4b. После этого момента Φ _R увеличивается с большей скоростью, потому что деградация соты увеличивает R _{Int, C} . Указанный цикл на рис. 4c – 4d выбирается на основе точки, в которой Φ _R резко увеличивается из-за падения R _{Int, D} . Сравнение трех показателей SoH показано на рис. 4e. Прогнозы, сделанные для Φ _R , лучше соответствуют фактическому началу деградации, особенно для 2.Ячейки 7 и 1,5 В. Для ячеек, выдержанных в условиях обращения, все три предиктора, dQ / dN, d η / dN и Φ _R , близки к фактической точке отказа.

Прогнозы цикла, сделанные с помощью числа деградации Φ _R , используются в качестве справочного материала для дальнейшего изучения электрохимических (рис. 5) и термических (рис. 6) изменений во время цикла. Профили напряжения и температуры представлены для пяти циклов, соответствующих первому циклу (0% CF), последнему циклу (20% CF) и циклу, в котором начинается более быстрое ухудшение (прогноз Φ _R ), и еще двум циклам между ними. три очка.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Профили напряжения заряда / разряда при различных уровнях деградации для (а) случая с преобладанием старения, 2,7 В; (б) случай небольшого переразряда, 1,5 В; (c) случай возникновения обратного потенциала, 0,0 В; и (d) случай глубокого переразряда, -0,5 В. Кривые дифференциального напряжения получают путем дифференцирования полиномиальных подгоночных кривых 7-го порядка, связанных с каждой из кривых напряжения.Проскальзывание горизонтальных пиков на кривых дифференциального напряжения указывает на скорость потери емкости.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 6. Температурные профили для процесса заряда / разряда при различных уровнях деградации для (а) случая с преобладанием старения, 2,7 В; (б) случай небольшого переразряда, 1,5 В; (c) случай возникновения обратного потенциала, 0.0 В; и (d) случай глубокого переразряда, -0,5 В. Кривые тепловыделения получены с помощью метода обратной теплопередачи. Максимальная температура во время процессов заряда и разряда увеличивается по мере старения элемента и ухудшается из-за уменьшения нижнего напряжения отсечки. Горизонтальное проскальзывание пиков указывает на потерю емкости при циклическом движении, а вертикальное проскальзывание представляет собой эффект деградации на ячейку.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Профили напряжения заряда и разряда для четырех анализируемых ячеек показаны на рис.5a – 5d. Кривые разряда показывают, как емкость медленно уменьшается до достижения прогнозируемого цикла Φ _R . Как только ячейка пересекает этот цикл, емкость уменьшается более быстрыми темпами. Например, элементу 1,5 В требуется 131 цикл, чтобы снизить его емкость с 5,12 до 4,78 А · ч, рис. 5b. Когда деградация ускоряется, требуется всего 89 циклов, чтобы снизить его емкость с 4,78 до 3,97 Ач. Циклическое переключение ячейки в условиях реверсирования, как в ячейках 0,0 и -0,5 В, значительно увеличивает скорость CF, рис.5c – 5d. Например, элементу −0,5 В требуется всего 14 циклов, чтобы снизить его емкость с 4,80 до 3,02 Ач. Сравнение кривых заряда / разряда для ячеек с напряжением 2,7 и −0,5 В не показывает каких-либо существенных различий. Только кривая разряда для последнего цикла (3,02 Ач) от элемента -0,5 В показывает небольшое изменение тенденции в конце разряда. Быстрое падение напряжения в основном связано с быстрым ростом потенциала анода и разложением слоя SEI.

Кривые дифференциального напряжения (dV / dQ) на рис.5e – 5h получены путем дифференцирования подгоночных кривых полиномов 7-го порядка, связанных с каждой из кривых напряжения. Пики dV / dQ можно интерпретировать двумя разными способами; либо как переход между фазами в электродах, либо как изменение сопротивления во времени в зависимости от SOC. Результаты для заряда и разряда показаны в зеркальном отображении для облегчения интерпретации графиков. С точки зрения фазового перехода пики dV / dQ соответствуют фазовым переходам, происходящим в графите на протяжении всего процесса заряда / разряда. ³⁵ Небольшие пики от ячейки, разряженной до 2,7 В, указывают на медленный фазовый переход, рис. 5e. По мере старения клетки интенсивность пика увеличивается (вертикальное проскальзывание) из-за неравномерного литирования и одновременного присутствия нескольких фаз. Наиболее характерной чертой явления старения является горизонтальное смещение пиков. ^36,37 Величина проскальзывания увеличивается с увеличением нижнего напряжения отсечки, рис. 5г – 5ч. Сравнение кривых dV / dQ между процессами заряда и разряда подтверждает тот факт, что побочные реакции происходят только во время сверхразряда, т.е.е., независимо от нижнего напряжения отсечки, графики dV / dQ для зарядки аналогичны, рис. 5д – 5ч. Графики dV / dQ также представляют временное изменение IR. В двух полностью заряженных и полностью разряженных состояниях dV / dQ становится больше, подтверждая тот факт, что внутреннее сопротивление больше на этих двух крайних значениях. Величина внутреннего сопротивления увеличивается по мере старения элемента, особенно в конце жизненного цикла из-за разложения / преобразования SEI и растворения / осаждения меди, вызванных избыточным разрядом.

Температурный отклик

Отклик на приращение температуры, T _ячейка -T _inf , для кривых заряда / разряда, показанных на рис. 5a – 5d используется для оценки тепловыделения, рис. 5e – 5h, для процесса заряда / разряда. Замечено, что повышение температуры при разряде всегда больше, чем при зарядке. Температурный промежуток возникает из-за того, что энтропийное тепло является эндотермическим в конце заряда и экзотермическим во время разряда.С другой стороны, необратимая жара в обоих случаях всегда экзотермична. Во время заряда CV температура падает из-за затухания приложенного тока.

Максимальная температура, наблюдаемая для элементов, разряженных до элементов 2,7 и 1,5 В в первом цикле испытания на старение, составляет 21,6 ° C и 18,5 ° C соответственно, рис. 6a – 6b. Температура, наблюдаемая для клетки, состарившейся под началом реверсивного потенциала, составляет 41.0 ° C, но эта температура наблюдается в последнем цикле (рис. 6c).Когда ячейка приводится в непрерывное реверсивное состояние, газы, выделяющиеся из-за разложения электролита, увеличивают внутреннее давление и вызывают разбухание ячейки и дополнительное повышение температуры. Набухание влияет не только на пакет, но и на конфигурацию сборки электродов / сепаратора. В ячейке, разряженной до -0,5 В, перемещение или разделение электродов внутри могло также вызвать внутреннее короткое замыкание из-за контакта между катодным и анодным электродами.Температура, зарегистрированная на поверхности ячейки, показывает максимальную температуру до 106,0 ° C, соответствующую повышению температуры на 83,63 ° C, рис. 6d. И снова максимальная наблюдаемая температура приходится на последний цикл. Тепловые результаты означают, что если ячейка циклируется выше начала реверсивного потенциала, максимальная температура будет иметь место в первом цикле, когда оба активных материала доступны для реакции. Однако, если ячейка циклически повторяется около или до состояния реверсирования, то деградация и побочные реакции будут приводить к повышению температуры.

Чтобы дополнить термический анализ, графики тепловыделения оцениваются на основе обратной задачи теплопередачи с использованием профилей температуры окружающей среды и температуры ячейки, рис. 6e – 6h. Сравнение графиков dV / dQ и тепловыделения показывает некоторые сходства. Связь между обоими результатами — внутреннее сопротивление. Одним из основных факторов необратимого тепла является джоулев нагрев ( i ² R _Int ), который зависит от приложенного тока и внутреннего сопротивления элемента.Во время процесса зарядки выделяемое тепло остается квазипостоянным, поскольку внутреннее сопротивление не изменяется. В случае процесса разряда для ячеек 2,7 и 1,5 В максимальное тепловыделение происходит в начале разряда, и его величина уменьшается по мере старения элемента, рис. 6e – 6f. Аналогичная тенденция наблюдается в клетках, состарившихся в условиях обращения, рис. 6г – 6ч; однако на этот раз выделяемое тепло становится сильнее в конце разряда. Это означает, что дополнительный режим разложения, такой как SEI и разложение электролита и чрезмерное растворение меди, являются причинами быстрого повышения температуры.

DPA

Термические и электрохимические результаты могут быть подтверждены физическим осмотром компонентов ячейки. На рисунках 7a – 7d показано окончательное состояние четырех ячеек после того, как их емкость снизилась на 20%. Поскольку ячейка 2,7 В не вздулась, она не включена в этот рисунок. По мере увеличения более низкого напряжения увеличение объема ячейки становится более значительным, что указывает на образование газа в результате разложения электролита и электрода LCO. ³⁸ Рис. 7a – 7b.В случае элемента с напряжением -0,5 В на левой стороне пакета, показанном на рис. 7c, можно увидеть небольшое пятно обугливания. Непрерывное циклическое переключение в условиях реверсирования приводит к многократному разрушению и повторному формированию слоя SEI, разложению электролита, растворению меди и расслоению анода, все это приводит к образованию газов, расширяющих ячейку. Скопление газа создает эффект пузырьков, который вызывает физическое разделение между электродами и деформацию сборки электродов / сепаратора.Образование медных и литиевых перемычек между электродами приводит к внутреннему короткому замыканию, которое нагревает элемент изнутри. Несмотря на то, что температура увеличивается до 106,0 ° C, ячейка не переходит в режим теплового разгона. Ячейка вентилировалась через левый и правый края, вызывая обугленное пятно и вмятину в ее центре. Результаты для трехэлектродного элемента с чрезвычайно сильным переразрядом также включены как часть анализа, рис. 7d, чтобы понять разницу между повторяющимся переразрядом элемента и однократным экстремальным переразрядом.Даже несмотря на то, что сильно разряженная ячейка мертва в конце теста, никаких признаков набухания не обнаружено, поскольку разложившийся слой SEI никогда не восстанавливается. Это подчеркивает важный момент, что избыточный разряд сам по себе является доброкачественным состоянием, но может превратиться в проблему в сочетании с последующей зарядкой. Взаимодействие между механизмами деградации старения и чрезмерного разряда создает угрозу целостности ячейки и здоровью оператора.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 7. Разрушающий физический анализ в условиях переразряда в конце жизненного цикла. (a) — (c) Состояние ячейки до проведения теста DPA. (d) Трехэлектродная ячейка с чрезмерным переразрядом используется в качестве эталона для анализа DPA. (e) — (g) LCO и (i) — (l) графитовые электроды, и (m) — (p) образцы сепаратора, полученные после вскрытия клеток.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Поскольку ячейка имеет 23 слоя с двусторонним покрытием для каждого из электродов, а также два разделителя, было бы непрактично включать весь набор фотографических свидетельств.Вместо этого репрезентативный образец с катода LCO, рис. 7e – 7h; графитовый анод, рис. 7и – 7л; и сепаратор, рис. 7м – 7ч включены сюда. Перед анализом состарившихся элементов, компоненты трехэлектродного элемента, которые подверглись экстремальному переразряду, были проверены, чтобы установить базовый уровень для условий, при которых преобладает переразряд. Поскольку элемент чрезмерно разряжен, графитовый анод чрезмерно делитирован до тех пор, пока запас лития не истощится. Затем SEI начинает разлагаться, чтобы отдать больше электронов, что восстанавливает ионы Li ⁺ , присутствующие в электролите на катоде LCO. ³⁹ Когда потенциал анода превышает ~ 3,54 В относительно Li / Li ⁺ , токосъемник Cu начинает окисляться, и ионы Cu начинают мигрировать к катоду, и они осаждаются на поверхностях катода и сепаратора. ^17,40 Отложение меди с характерным бронзовым цветом можно наблюдать на электроде LCO и сепараторе, показанном на рис. 7h и 7p соответственно. Графитовый электрод сильно переразряженного элемента напоминает графитовый электрод, который был разряжен до нормального разрядного напряжения, рис.7л. В случае чрезмерного переразряда, рис. 7e, элемент не может быть снова заряжен, потому что осаждение меди внутри приводит к короткому замыканию элемента.

В случае состаренных ячеек не обнаружено видимой деградации ни на одном из электродов для ячеек 1,5 В, рис. 7e – 7i, только на сепараторе видны коричневатые пятна, в основном из-за микрокороток, вызванных редкими пятнами гальванического покрытия Li. Для ячейки 0,0 В больше микрокороток наблюдается на всех трех компонентах, рис. 7f, 7j, 7n. Идея о том, что избыточный разряд способствует образованию покрытия из лития, может показаться нелогичным, поскольку осаждение лития происходит во время зарядки.Однако ухудшение, вызванное процессом сверхразряда, увеличивает IR элемента, и во время процесса зарядки повышенное перенапряжение может привести к понижению анодного потенциала ниже нуля и способствовать образованию Li-покрытия. ⁴¹ В случае старения элемента в условиях реверсирования, элемент -0,5 В, осаждение меди на катоде и сепараторе электрохимически блокирует графитовый электрод во время процесса избыточного разряда. Во время заряда заблокированный катод вызывает неравномерное литиирование анода, и при непрерывном циклическом режиме в конечном итоге происходит литиирование.Комбинация Cu на поверхности катода и металлического Li на аноде вызвала короткое замыкание ячейки. Внутреннее короткое замыкание становится настолько сильным в элементе -0,5 В, что вызывает обугливание графитового электрода, рис. 7k, и расплавление сепаратора, особенно вокруг центра элемента, рис. 7o. После плавления полипропилена из сепаратора он прилипает к электродам LCO, что затрудняет отделение электрода от сепаратора, рис. 7г, 7o.

SEM / EDS

Фактическая деградация клеточных компонентов дополнительно исследуется путем извлечения репрезентативных образцов и анализа их морфологии, рис.8–10, и состав, таблицы I и II. Морфология свежего графитового электрода показана на рис. 8а. Перед любым циклом внутренние слои частицы пластинчатого графита хорошо определяются. Состав электрода в основном состоит из углерода из активной частицы и проводящей добавки. Присутствие алюминия обусловлено керамическим покрытием сепаратора, таблица I. Когда литий интеркалирует / деинтеркалирует во время нормального цикла, промежутки покрываются тонкой пленкой SEI, которая становится толще при старении, рис.8b. Слой SEI состоит из смеси различных соединений, таких как фторид лития (LiF), гидроксид лития (LiOH), карбонат лития (Li ₂ CO ₃ ), оксид лития (Li ₂ O) и алкил лития. карбонат (ROCO ₂ Li, RCOLi). ⁴² Образование этих соединений увеличивает содержание кислорода и фтора и снижает процентное содержание углерода. Для ячейки, которая подвергалась непрерывным разрядам до 1,5 В, дендриты заселяют поверхность электрода.Даже несмотря на то, что EDS не может обнаруживать мелкие элементы, такие как водород или литий, присутствие лития может быть подтверждено, когда высокореакционная природа лития приводит к образованию оксида лития, когда он реагирует с кислородом воздуха. Таким образом, покрытие Li увеличивает содержание кислорода и снижает содержание углерода, как показано в таблице I. Небольшой процент кобальта на графитовом электроде указывает на незначительную миграцию кобальта от катода к аноду во время процесса зарядки.Когда более низкое напряжение снижается до 0,0 В, литиевое покрытие и рост SEI ухудшаются, рис. 8d. Элементный состав электрода показывает дальнейшее увеличение содержания кислорода, фтора и кобальта все еще можно обнаружить, см. Таблицу I. Примечательной деталью этого электрода является присутствие меди. Во время начальных циклов потенциал анода может быть недостаточно высоким для растворения токосъемника, но по мере старения элемента и увеличения внутреннего сопротивления медный токоприемник начинает растворяться.Одновременное присутствие отложений Cu и Li увеличивает вероятность возникновения внутреннего короткого замыкания. В клетке, выдержанной в условиях обращения, наблюдается совокупный эффект всех механизмов деградации, таких как образование газов, набухание клетки и внутреннее короткое замыкание. В случае непрерывного разряда элемента до -0,5 В поверхность электрода покрыта остатками обугливания и расплавленным сепаратором, как показано на рис. 8e. Обугливание увеличивает содержание углерода; а разложение SEI снижает содержание кислорода, см. Таблицу I.Наконец, графитовый электрод от сильно разряженной ячейки имеет морфологию, аналогичную свежей ячейке. Фактически, отсутствие интеркалированного лития, расплавленного сепаратора и меди делает внутренние слои частицы графита более различимыми. Что касается состава, чрезвычайно сильно разряженный анод имеет такое же содержание углерода, что и свежий элемент, и, как и ожидалось, присутствует Cu из токоприемника, но нет кислорода. Результат подтверждает идею о том, что, когда запасы анодного лития истощаются, SEI разлагается, чтобы обеспечить мощность, требуемую внешней нагрузкой.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 8. Микрофотографии образцов графитовых электродов, извлеченных из состаренных ячеек при различных более низких напряжениях отсечки. (а) Чистый электрод. (b) Случай с преобладанием старения характеризуется ростом SEI. (c) Случай с небольшим переразрядом характеризуется наличием покрытия Li и дальнейшим утолщением SEI. (d) Возникновение случая обратного потенциала демонстрирует различную морфологию лития, покрывающего поверхность электрода.(e) Случай глубокого переразряда показывает обугливание на поверхности частицы, вызванное ISC. (f) Электрод с экстремальным переразрядом показывает только частицы графита без каких-либо отложений или следов слоя SEI. Масштаб для всех изображений 10 мкм м.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 9. Микрофотографии образцов электродов LCO, извлеченных из состаренных ячеек при различных более низких напряжениях отсечки.Никаких доказательств разрушения не обнаружено в образцах, соответствующих (а) нетронутому электроду и (б) ячейке с преобладанием старения. (c) Случай небольшого переразряда показывает разреженные частицы LCO с ранним наличием трещины. (d) — (e) Растрескивание частиц LCO происходит преимущественно в переразряде ячеек в условиях реверсирования из-за электрохимического пропитывания. (f) Электрод LCO из ячейки с экстремальным переразрядом показал характерное осаждение Cu на его поверхности. Масштаб для всех изображений 10 мкм м.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 10. Микрофотографии образцов сепаратора, извлеченных из состаренных ячеек при различных напряжениях отсечки. (a) Сепаратор изготовлен из полипропилена с керамическим слоем Al ₂ O ₃ . Сторона PP обращена к электроду LCO, а Al ₂ O ₃ обращена к графитовому.(b) Разделитель гильз с преобладанием старения не показывает признаков деградации. (c) Случай с небольшим переразрядом показывает некоторые отложения в керамическом слое из-за ISC. (d) Случай возникновения обратного потенциала показывает большее присутствие отложений в основном на слое Al ₂ O ₃ . (e) Интенсивный ISC от ячейки, выдержанной в условиях глубокого переразряда, вызывает обугливание и расплавление сепаратора. (f) Ячейка с экстремальным переразрядом не показала какой-либо значительной деградации на стороне Al ₂ O ₃ , но на ней действительно были обнаружены корки LCO с нанесенной на нее Cu.Масштабная линейка отличается на каждой панели, чтобы улучшить репрезентативные детали деградации.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Таблица I. Состав электродов, извлеченный из испытания EDS графитовых и LCO-электродов при различных напряжениях переразряда для образцов, показанных на рис. 8 и 9 ^{a )} .

E нижний [V]	Анод							Катод
	С	O	Ф	Al	P	Cu	Co	С	O	Ф	Al	P	Cu	Co
FC	95.9	0,0	1,8	1,4	0,9	0,0	0,0	31,9	18,7	5,3	4,0	0,0	0,0	40,1
2,7	76,4	18,5	3,2	1,4	0,5	0,0	0,0	31,3	18,8	6,8	5,3	0,3	0.0	37,5
1,5	69,2	25,2	3,9	0,8	0,7	0,0	0,2	31,5	19,4	8,3	2,5	0,8	0,0	37,4
0,0	48,6	39,6	8,5	1,2	1,2	0,9	0,1	36,4	22.8	10,2	1,9	0,5	0,0	28,1
-0,5	71,4	12,1	14,4	0,6	0,9	0,6	0,0	34,4	24,7	9,8	2,1	1,0	0,1	27,9
EO	86,1	0,0	8,3	1,7	1.6	2,3	0,0	0,0	11,3	1,7	14,6	0,3	64,1	8,0

^a) Указанные значения соответствуют мас. % каждого элемента, обнаруженного в образцах.

Таблица II. Состав электродов, полученный при испытании сепаратора EDS при различных напряжениях переразряда для образцов, показанных на рис. 10 ^{a )} .

E нижний [V]	Сепаратор
	С	O	Ф	Al	P	Cu	Co
FC	0,0	41,2	9,5	47,9	1,3	0,0	0,0
2.7	8,8	43,9	1,5	45,1	0,6	0,0	0,1
1,5	27,1	37,8	3,4	28,1	1,3	0,0	2,3
0,0	7,0	50,4	3,1	38,6	0,8	0,0	0,2
-0,5	27.4	58,0	8,5	4,6	1,1	0,2	0,2
EO	0,0	21,2	7,3	17,3	2,4	24,9	26,9

^a) Указанные значения соответствуют мас. % каждого элемента, обнаруженного в образцах.

Морфология свежего катода показана на рис. 9а. Его состав подтверждает, что LCO является активным материалом, и у него есть алюминиевый токоприемник.На этом рисунке четко определены активная частица LCO и вторичная фаза (связующее и проводящая добавка). Если клетка выдерживается при нормальных условиях, рис. 9b, никаких значительных изменений морфологии и состава, таблица I, на микрофотографии и в результатах EDS, соответственно, не наблюдается. Редкие пятна с растрескавшимися частицами LCO обнаруживаются, когда ячейка слегка переразряжена, рис. 9c. Тяжелое растрескивание частиц LCO происходит, когда ячейки сокращаются до 0,0 и -0,5 В из-за чрезмерного литиирования катода, рис.9d – 9e. Другими словами, при нормальных условиях разряда ионы лития мигрируют от анода к катоду, занимая одно из доступных и соответствующих родительских участков LCO. Однако, если ячейка сильно разряжена, частица LCO не может выделить все восстанавливаемые ионы Li ⁺ из электролита в соответствующий слой Li в октаэдрической структуре. Таким образом, активная частица начинает набухать и при непрерывном циклическом движении в конечном итоге трескается. ⁴³ Структурная дезинтеграция частиц LCO не только увеличивает сопротивление переносу в твердой фазе, но также снижает сохранение емкости. ^40,44 Что касается состава, содержание Co уменьшается по мере уменьшения напряжения в конце разряда. При растрескивании частиц обнажается внутренняя часть частиц LCO и повышается содержание кислорода. Наконец, электрод LCO из сильно разряженной ячейки показывает отложение меди на своей поверхности, рис. 9f. Отложения меди мешают полному обнаружению электрода LCO при оценке состава. Сепаратор этой ячейки изготовлен из полипропилена, обращенного к электроду LCO, и покрытия из оксида алюминия, обращенного к графитовому электроду, рис.10а. Состав, указанный в таблице II, соответствует стороне оксида алюминия. Полипропилен, (C ₃ H ₆ ) _n , сторона сепаратора показывает только содержание углерода. В случае ячейки 2,7 В не обнаружено значительных изменений по сравнению с сепаратором, рис. 10b, за исключением небольшого присутствия углерода и кобальта. Микрокоротки становятся видимыми в элементе, разряженном до 1,5 В, в виде отложений на стороне оксида алюминия, рис. 10c, и это более очевидно на элементе, разряженном до 0.0 В, рис. 10г. Отложения, поступающие с анода, содержат остатки SEI и Li-покрытия, которые увеличивают содержание кислорода и снижают процентное содержание Al. В случае разряда элемента до -0,5 В, рис. 10e, высокая температура, вызванная внутренним коротким замыканием, вызывает обугливание графитового электрода, а выделяемое тепло вызывает прилипание активного материала электрода к сепаратору. Остатки обугливания увеличивают содержание углерода и значительно снижают содержание Al. Одним из наиболее значимых результатов является наличие меди в сепараторе.Как правило, внутренние короткие замыкания чаще всего связаны с покрытием литием; однако, если элемент чрезмерно разряжен в условиях реверсирования, растворенная Cu может вызвать внутренние короткие замыкания. Одно из основных различий между экстремальным избыточным разрядом и непрерывным избыточным разрядом отражается на сепараторе, где растворенная медь откладывается на катоде и поверхности сепаратора из полипропилена в последнем. Во время DPA активный материал LCO отделяется от электрода и прилипает к сепаратору PP.Это было подтверждено наличием содержания Co и Cu на сепараторе из этой ячейки.

В этой работе экспериментально и аналитически изучалось влияние как старения, так и сверхразряда на клетки мешочка. Ячейки подвергались циклическому включению в условиях непрерывного переразряда, при котором разумно выбрано более низкое напряжение отсечки (2,7, 1,5, 0,0 и -0,5 В), чтобы гарантировать циклическую способность элемента. Электрохимические результаты показали, что дополнительная емкость, полученная за счет увеличения нижнего напряжения отсечки, незначительна.Более того, срок службы в цикле снижается, особенно если элемент выдерживается в условиях реверсирования (E _ниже ≤ 0,0 В). SoH ячеек также исследуется с помощью дифференциальной емкости и дифференциальных кривых кулоновской эффективности, а затем сравнивается с новым параметром SoH на основе IR. Предлагаемый индикатор SoH, Φ _R , может прогнозировать начало усугубленной деградации во всех клетках.

Анализируются четыре долгосрочных условия циклического переключения, чтобы пролить свет на механизмы деградации, наложенные в зависимости от степени переразряда.Случай с преобладанием старения, 2,7 В, представляет собой нормальное состояние старения, характеризующееся в основном утолщением SEI. Корпус с небольшим переразрядом до 1,5 В деградировал аналогично старению, в котором преобладало старение, но с повышенным присутствием покрытия Li. Случай возникновения обратного потенциала до 0,0 В представляет состояние, при котором потенциал анода становится больше, чем потенциал катода. Покрытие литием анода, растрескивание частиц на катоде и раннее растворение анодного токосъемника с последующим образованием медного мостика на сепараторе являются основными механизмами деградации, обусловливающими короткий срок службы элемента.Случай глубокого переразряда, до -0,5 В, первоначально продемонстрировал те же механизмы деградации для элемента, разряженного до 0,0 В, но в конце отказал после нескольких циклов. Разрушение структуры частиц LCO, вызванное чрезмерным литиированием, а также повторяющиеся разрушение и преобразование SEI, разложение электролита и т. Д. Привели к образованию газов. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Наконец, образование медных и литиевых мостиков привело к прямому контакту между электродами, в результате чего возникли микрокороты или внутренние короткие замыкания.

Избыточный разряд — это испытание на щадящее использование, которое само по себе может превратиться в серьезную причину опасности в сочетании с последующей зарядкой. Комбинированные эффекты механизмов деградации из-за старения и чрезмерного разряда создают угрозу целостности ячеек и здоровью пользователей, особенно в конце жизненного цикла.

Приложение. Патологоанатомический анализ карманных клеток

Посмертный анализ — это надежный и широко адаптированный инструмент, используемый для более глубокого понимания анализа отказов клетки.Открытие этих ячеек помогает визуализировать и охарактеризовать изменения, произошедшие в компонентах клетки во время теста, и сравнить их с изменениями свежей клетки. Далее описывается пошаговая процедура разборки ячейки пакета.

Шаг 1. Изоляция выступов. Перед деструктивным физическим анализом (ДФА) выступы ячеек мешка изолируют электроизоляционной лентой. Это дополнительная мера предосторожности, которую необходимо предпринять, чтобы избежать любого случая внешнего короткого замыкания, см. Рис.A1a.

Шаг 2. Подготовка материалов. Герметизирующие пакеты используются для хранения электродов, разделителей и других компонентов ячейки. В общей сложности 5 герметичных пакетов, по одному для каждого электрода, один для сепаратора, один для электролита и один для хранения других компонентов ячейки, таких как пакет и вкладки, помечены на основе того, что в них будет размещаться. Стеклянный флакон, перегородка флакона и крышка флакона используются для сбора электролита ячейки. Все материалы, ячейка и медиа-рекордер переносятся в перчаточный ящик.

Шаг 3. Разборка подсумка. После переноса ячейки внутрь перчаточного ящика пластиковая доска используется для разборки ячейки. Это используется для предотвращения контакта язычков с металлическим дном перчаточного ящика. Процесс начинается с прокалывания мешочка скальпелем из нержавеющей стали. Этот первоначальный разрез делается около одной из выступов. При использовании скальпеля следует проявлять особую осторожность, чтобы избежать короткого замыкания, поэтому рекомендуется держать один из язычков изолированным.Процесс резки должен выполняться очень медленно и с особой осторожностью. После того, как разрез по ширине ячейки будет завершен, используется пара пластикового пинцета с острым концом, чтобы вытащить пакет из центра, как показано на рис. A1b. После разреза по длине пакет снимается с ячейки, образуя Т-образный разрез, как показано на рис. A1c. Затем пакет отрезается снизу, обнажая узел электродов-сепараторов, см. Рис. A1d.

Шаг 4. Удаление выступов. Мешочек остается соединенным с ячейками через металлические никелевые язычки.Ножницами разрезают язычки одну за другой и отделяют пакет и язычки от ячейки, см. Рис. A1d. Во избежание короткого замыкания следует соблюдать дополнительные меры предосторожности при разрезании выступов.

Шаг 5. Демонтаж сепаратора и электродов. После удаления лент на внешнем сепараторе узел электроды-сепаратор можно разматывать. Две отдельные пары пластмассовых пинцетов используются для извлечения катода и анода. При разделении электродов необходимо проявлять особую осторожность, поскольку электроды или активный материал на сепараторе могут соприкоснуться с другим электродом, что приведет к короткому замыканию.Изображение разматывания сепаратора и извлечения электродов показано на рис. A1e.

Шаг 6. Сбор электролита. Электроды промышленных ячеек обычно пропитываются электролитом, а не заливаются им. Электролит можно собрать, промыв изопропиловым спиртом (IPA) разобранный пакет, см. Рис. A1e. Затем смесь осторожно переливают в стеклянный флакон, не проливая ее. Затем стеклянный флакон закрывают перегородкой и крышкой. Поскольку IPA является летучим по своей природе, важно герметизировать смесь электролита.Для запечатывания стеклянного флакона используется ручной обжимной пресс. Собранный электролит дополнительно анализируется для изучения разложения электролита с помощью газовой хроматографии и масс-спектроскопии.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок A1. Разрушающий физический анализ состарившейся мешочной клетки. (а) изоляция язычков, (б) разрез по ширине пакета, (в) Т-образный разрез, (г) разрез по длине и дну пакета, (д) ​​разматывание разделителя и извлечение электродов и (f) IPA, налитый на пакет для сбора электролита.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

литий-ионных аккумуляторов своими руками для использования в БПЛА и математике — Блог

Привет всем,

Приятно наблюдать за развитием и внедрением литий-ионных аккумуляторов. В прошлом это было невозможно из-за низкого C-рейтинга литий-ионных аккумуляторов и большого тока, потребляемого мультикоптерами. Однако теперь, когда мультикоптеры так же эффективны, как и раньше, а литий-ионные батареи стали более зрелыми, сочетание обеих технологий должно обеспечить безумное время полета / дальность полета.

Хотя большая часть вашего анализа литий-ионных аккумуляторов верна, я хотел бы подправить C-рейтинг батареи. Рейтинг C — это отраслевой стандарт, который используется для определения максимальной силы тока, которая может потребляться от батареи без ее повреждения. Как вы и сказали, C-рейтинг * емкость = максимально допустимая потребляемая мощность. Я думаю, что важно отметить, что это только предел потребляемого тока (сила тока), а не запас энергии (ампер-час). Вы упомянули amp-hour в своем сообщении, поэтому я просто хотел исправить это.Примеры следующие:

Литий-ионный блок 3C 10 Ач -> Максимальный ток потребления: 30 А
Литий-ионный блок 3C 20 Ач -> Максимальный ток потребления: 60 А
Литий-ионный блок 5C 15 Ач -> Максимальное потребление тока: 75 А

Итак, да, если вы считаете, что потребляемая мощность усилителя будет слишком малой для меньшего блока, тогда добавление большей емкости — правильный выбор. Это позволяет хранить больше энергии на борту (скорее всего, увеличивать время полета) и уменьшать нагрузку на аккумулятор. При проектировании литий-ионных самолетов мне нравится, когда при взлете у батареи получается рейтинг 3C, а все остальные полеты остаются ближе к 1.От 5 ° C до 2,5 ° C. Все остальное может привести к указанным вами температурным ограничениям.

Согласно зарядке, литий-ионные аккумуляторы лучше всего заряжать при 0,5 ° C. Таким образом, сила тока, при которой заряжается аккумулятор, рассчитывается так же, как и скорость разряда. Это означает, что для зарядки аккумулятора потребуется чуть более 2 часов — при условии, что ваше зарядное устройство поддерживает скорость 0,5C. Это отличается от большинства Li-Po аккумуляторов, которые можно заряжать от 30 до 60 минут. Пожалуйста, примите это во внимание при проектировании корабля для вашей миссии.

Когда дело доходит до поставщиков, я бы остановился на трех крупных компаниях: Samsung, Sanyo и Panasonic. У всех других поставщиков отсутствует такой же уровень контроля качества, что в будущем может оказаться катастрофическим. Кроме того, если возможно, я бы установил аккумулятор на стенде и запустил на нем непрерывный разряд 3 ° C, чтобы посмотреть, как выглядит температура элемента. Это можно сделать, взяв один литий-ионный аккумулятор и запустив от него постоянный ток 10 А.

Если понадобится дополнительная помощь — дайте мне знать! Кроме того, я привожу ниже две интересные батареи, которые я упомянул в другом посте:

https: // www.foxtechfpv.com/foxtech-diamond-6s-22000mah-semi-solid-state-lipo-battery.html
https://www.foxtechfpv.com/diamond-6s-30000mah-semi-solid-state-lipo-battery. html

В этих батареях используется совершенно другой химический состав, с которым я не знаком. Итак, я не знаю, насколько обоснованы их утверждения. Я знаю, что если вы обратитесь в компанию, они предоставят вам полный документ о тестировании и спецификациях.

Почему системы управления батареями важны для литий-железо-фосфатных батарей

Обзор

Литий-железо-фосфатные батареи содержат много энергии и ценности в небольшом корпусе.Химический состав этих батарей — большая часть их превосходных характеристик. Но все известные коммерческие литий-ионные батареи также включают в себя другой важный элемент, наряду с самими элементами батареи: тщательно разработанную электронную систему управления батареями (BMS). Хорошо продуманная система управления батареями защищает и контролирует литий-ионную батарею для оптимизации производительности, увеличения срока службы и обеспечения безопасной работы в широком диапазоне условий.

В RELiON все наши литий-железо-фосфатные батареи включают внутреннюю или внешнюю BMS.Давайте посмотрим, как RELiON BMS защищает и оптимизирует работу литий-железо-фосфатной батареи.

1. Повышенное и пониженное напряжение

Литий-железо-фосфатные элементы безопасно работают в диапазоне напряжений, обычно от 2,0 В до 4,2 В. Некоторые химические составы лития приводят к образованию клеток, которые очень чувствительны к перенапряжению, но клетки LiFePO4 более терпимы. Тем не менее, значительное перенапряжение в течение длительного периода во время зарядки может привести к осаждению металлического лития на аноде батареи, что необратимо ухудшит характеристики.Кроме того, катодный материал может окисляться, становиться менее стабильным и выделять диоксид углерода, что может привести к повышению давления в элементе. Все системы управления батареями RELiON ограничивают каждую ячейку и саму батарею максимальным напряжением. BMS в батарее RELiON RB100 LiFePO4, например, защищает каждую ячейку в батарее и ограничивает напряжение в батарее 15,6 В.

Пониженное напряжение во время разряда батареи также является проблемой, поскольку уровень разряда элемента LiFePO4 ниже примерно 2.0 В может привести к повреждению электродных материалов. Литиевые батареи имеют рекомендованное минимальное рабочее напряжение. Например, в RELiON RB100 минимальное рекомендуемое напряжение составляет 11 В. BMS действует как отказоустойчивый, чтобы отключить аккумулятор от цепи, если какая-либо ячейка упадет ниже 2,0 В.

2. Защита от перегрузки по току и короткого замыкания

Каждая батарея имеет максимальный заданный ток для безопасной работы. Если к аккумулятору приложена нагрузка, которая потребляет более высокий ток, это может привести к перегреву аккумулятора.Несмотря на то, что важно использовать аккумулятор таким образом, чтобы потребление тока не превышало максимально допустимого значения, BMS снова действует как ограничитель от условий перегрузки по току и отключает аккумулятор от работы.

Опять же, используя RB100 в качестве примера, максимальный непрерывный ток разряда указан на уровне 100А, пиковый ток разряда составляет 200А, и BMS отключает батарею от цепи, если нагрузка потребляет около 280А.

Короткое замыкание аккумулятора — наиболее серьезная форма перегрузки по току.Чаще всего это случается, когда электроды случайно соединились с куском металла. BMS должна быстро обнаружить состояние короткого замыкания, прежде чем внезапное и сильное потребление тока приведет к перегреву батареи и нанесению катастрофического ущерба. В RB100 батарея отключается в течение 200-600 микросекунд после внешнего короткого замыкания, а затем возобновляет нормальную работу, если условие короткого замыкания устранено.

3. Превышение температуры

В отличие от свинцово-кислотных или литий-кобальтооксидных батарей, литий-железо-фосфатные батареи работают эффективно и безопасно при температурах до 60 ^o C и выше.Но при более высоких температурах эксплуатации и хранения, как и во всех батареях, материалы электродов начинают разрушаться. BMS литиевой батареи использует встроенные термисторы для активного контроля температуры во время работы и отключает батарею от цепи при заданной температуре. В примере RELiON RB100 BMS отключает аккумулятор при 80 ^o ° C (176 ^° ° F) и повторно подключает аккумулятор при 50 ^° ° C (122 ^° ° F).

4. Дисбаланс клеток

Литий-ионные аккумуляторы

имеют большое отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, когда речь идет о балансировке напряжения в каждой отдельной ячейке во время зарядки. Из-за небольших различий в производственных или рабочих условиях каждая ячейка в батарее заряжается с несколько разной скоростью. В свинцово-кислотной батарее, если одна ячейка заряжается быстрее и достигает своего полного напряжения, типичный нижний предел тока заряда вместе с избыточным зарядом-возвратом гарантирует, что другие элементы будут полностью заряжены.В некотором смысле элементы в свинцово-кислотной батарее самоуравновешиваются во время зарядки.

Это не относится к литий-ионным батареям. Когда литий-ионный элемент полностью заряжен, его напряжение начинает расти дальше, что может привести к повреждению электрода. Если заряд всей батареи прекращается, когда полностью заряжена только одна ячейка, оставшиеся элементы не достигают полного заряда, и батарея будет работать ниже максимальной емкости. Хорошо спроектированная BMS обеспечит безопасную и полную зарядку каждой ячейки до завершения всего процесса зарядки.

Сводка

Литий-железо-фосфатные батареи состоят не только из отдельных элементов, соединенных вместе.