Аккумулятор диапазон рабочих температур

Питание для холодного климата: морозостойкие литий-полимерные АКБ от EEMB

Литий-полимерные аккумуляторные батареи производства компании EEMB с индексом LC в конце наименования имеют возможность разряда при отрицательных температурах до -40°C. При этом значение емкости остается на уровне 70% от номинальной.

С егодня химические источники тока, — литиевые аккумуляторные батареи (АКБ) и гальванические элементы, — используются как в портативной электронике — в ноутбуках, сотовых телефонах, карманных ПК, мр3-плеерах и так далее, – так и в электротранспорте, накопителях энергии, энергосистемах. При этом производители всеми силами стараются повысить плотность хранения энергии, увеличив тем самым время автономной работы устройств. По своим характеристикам литиевые аккумуляторы превосходят разработки, произведенные по другим химическим технологиям (Ni-Cd – никель-кадмиевые аккумуляторы, Ni-MH – никель-металлгидридные аккумуляторы). Можно выделить следующие преимущества литиевых аккумуляторов:

• отсутствие «эффекта памяти», что дает возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости;
• высокая удельная емкость;
• небольшая масса;
• низкий уровень саморазряда – не более 3…5% в месяц.

Конечно, как и в любой технологии, у литиевых аккумуляторов есть и недостатки, например:

• необходимость схемы защиты (встроенной или внешней), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда-разряда и контролирует температуру элемента;
• более высокая стоимость по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами.

Типовые характеристики литиевых АКБ зависят от химического состава их компонентов, наличия или отсутствия в них примесей и варьируются в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента (ячейки):
  • номинальное: 3,6…3,7 В;
  • максимальное: 4,2 В;
  • минимальное: 2,5…3,0 В;
• удельная энергоемкость: 110…243 Вт•ч/кг;
• число циклов «заряд/разряд» до достижения 80 % емкости: 600;
• саморазряд при комнатной температуре: 3…5% в месяц;
• ток нагрузки относительно емкости С, представленной в А•ч:
  • постоянный: до 3…5С (тип.);
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: -20…60°C (оптимальная: 20°C).

Технологии изготовления литиевых аккумуляторов постоянно улучшаются. Способы решения проблем с обеспечением безопасности эксплуатации и высокой стоимости привели к появлению литий-полимерных (Li-polymer или Li-pol) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Изначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, поэтому разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества литий-полимерных аккумуляторов:

• малый саморазряд;
• толщина элементов: от 1 мм;
• свобода в выборе формы АКБ;
• незначительный спад напряжения по мере разряда;
• улучшенная безопасность.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая, к тому же, снижается при температуре ниже нуля. Поэтому проблема разработок Li-pol-аккумуляторов состояла не только в поиске наиболее подходящего электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении диапазона рабочих температур.

Аккумуляторы с полимерным электролитом выпускают многие мировые производители. Электродные материалы, рецептуры электролита и технологии изготовления Li-pol-аккумуляторов разных компаний значительно отличаются. Соответственно, отличаются и их характеристики. На качество Li-pol-аккумуляторов и стабильность их работы сильно воздействует однородность полимера, на которую оказывают влияние как соотношение компонентов электролита, так и температура полимеризации.

Среди компаний, выпускающих литий-полимерные АКБ, выделяется компания EEMB – известный и хорошо зарекомендовавший себя производитель литиевых аккумуляторов, предлагающий широкий спектр химических источников тока [1]. Продуктовая линейка включает в себя первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) литиевые батареи. Со времени основания в 1995 году компания стала широко известна во многих ключевых сегментах рынка химических источников тока. EEMB производит высокотехнологичные литиевые батареи для промышленности и специальных применений.

Основным минусом литиевых аккумуляторов является существенное уменьшение емкости и быстрый разряд при низких температурах. Как правило, предельной температурой у аккумуляторов такого типа является -20°C.

В настоящий момент компания EEMB разработала и серийно производит литий-полимерные АКБ с возможностью разряда при температуре от -40°C (таблица 1). При этой температуре значение емкости остается на уровне 70% от номинальной при токе разряда 0,2С и напряжении отсечки 2,75 В, что намного больше военного стандарта емкости 40%. В дополнение к этому компания EEMB имеет ряд патентов на свое изобретение.

Таблица 1. Морозостойкие аккумуляторы EEMB

Наименование	Номинальное напряжение, В	Емкость, мАч		Размеры, мм			Вес, г
		Стандартная	Минимальная	Толщина	Ширина	Высота
LP383454LC	3,7	720	670	3,8	34	54	14,4
LP603048LC	3,7	900	850	6	30	48	18
LP963450LC	3,7	1800	1700	9,6	34	50	36
LP103450LC	3,7	1850	1800	10	34	50	37
LP505597LC	3,7	3100	2900	5	55	97	62

Низкотемпературные литий-поли­мерные батареи найдут широкое применение в устройствах, предназначенных для холодного климата.

Рис. 1. Низкотемпературный аккумулятор LP603449LC

Отличить морозостойкую серию аккумуляторов можно по наличию символов LC в конце наименования, например LP103454LC (рисунок 1), где:

• LP – тип аккумулятора (Li-Pol);
• 10 – толщина аккумулятора (1,0 мм);
• 34 – ширина аккумулятора (34 мм);
• 54 – длина аккумулятора (54 мм);
• LC – низкотемпературная версия.

Данные АКБ открывают новые возможности применения литиевых аккумуляторов, и это – существенная веха в аккумуляторном производстве.

На рисунке 2 изображены графики зависимости емкости и напряжения при температуре -10°С и -20°С для стандартной версии аккумулятора (синий и красный цвет), а также для низкотемпературной LC-версии аккумулятора (черный цвет). Изображенные зависимости снимались при разрядном токе 0,2 С (C – емкость аккумулятора) до напряжения отсечки 2,75 В. В таблице 2 приведены абсолютные значения емкости при тех же условиях разряда.

Рис. 2. Разряд стандартных и LC-АКБ в зависимости от температуры

Из графиков, изображенных на рисунке 2, и данных таблицы 2 видно, что стандартная версия допускает возможность разряда только до -20°С, и при этом потеря емкости составляет 15…17%. Потеря емкости несущественна, но и предельная температура (-20°С) невелика для северного климата.

Таблица 2. Емкость Li-Pol и стандартных аккумуляторов в зависимости от температуры

Версия батареи/температура	Энергоемкость батареи при разных рабочих температурах, %
	60°С	25°С	-20°С	-40°С
Стандартная батарея	98	98	83	–
Низкотемпературная (LC)	98	98	98	98

У новой LC-серии аккумуляторов также снижается емкость при отрицательной температуре, и снижение составляет 25…28%, но уже при температуре -40°С, что является весьма неплохим показателем. Принимая во внимание, что стоимость Ватт*часа новой серии АКБ выше стандартной версии примерно на 18…25%, можно утверждать, что EEMB имеет линейку очень перспективных аккумуляторов для применения в суровом российском климате.

Новые аккумуляторы допускают не только разряд при отрицательной температуре, но и возможность заряда. АКБ можно заряжать при температуре до -10°С током 0,2C. Однако зарядить в таких условиях его можно только до 70% от номинальной емкости (в технических данных эта информация отсутствует).

Немаловажным параметром низкотемпературных аккумуляторов является изменение их свойств при низкой температуре хранения. На рисунке 3 изображена зависимость емкости от температуры хранения при 20°С (красная линия) и -40°С (зеленая линия). Время хранения аккумуляторов составляло 15 суток, за эти дни емкость при 20°С уменьшилась на 5…6%, при -40°С – на 48%. Затем аккумулятор был заряжен при температуре 0°С, и вновь была проверена его емкость (рисунок 4). Значение емкости оказалось на уровне 99% от первоначального значения.

Рис. 3. График зависимости емкости аккумулятора от температуры хранения при 20°С и -40°С

Нужно отметить, что получены весьма неплохие результаты, так как -40°С для аккумулятора – это очень суровые условия, и то, что он за пятнадцать дней сохранил половину своей емкости, а при последующем заряде его емкость практически полностью восстановилась, говорит о высоком качестве продукции EEMB.

Рис. 3. График зависимости емкости аккумулятора от температуры хранения при 20°С и -40°С

Заключение

Существует ряд приложений, для которых весьма актуальна возможность работы при отрицательной температуре, например, для портативной аппаратуры, средств радиосвязи, контрольно-измерительной и контрольно-диагностической аппаратуры, устройств индивидуальной сигнализации (электронный маяк спасателя) и тому подобного. Для таких приложений, из соображений оптимального сочетания цены/качества, наилучшим образом подойдет продукция компании EEMB.

Производителей литиевых АКБ в мире достаточно много, их технологии изготовления и сама продукция могут существенно различаться. Однако не все они имеют в своей линейке продукции морозостойкие АКБ, актуальность которых для целого ряда областей применения очевидна. Наличие подобных АКБ в номенклатуре компании EEMB еще раз подтверждает ее статус производителя высококачественной продукции.

Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов, а благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны.

При всех стандартных проверках на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание) Li-pol-аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Перспективы серьезного расширения производства Li-pol-аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.

С появлением элементов литий-полимерных аккумуляторных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами электронных устройств открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новой аппаратуры. Были убраны многие ограничения касательно микроминиатюризации радиоэлектронных устройств.

Источник

Температурный режим разряда, заряда аккумуляторов

Опубликовано в Тех. характеристики Просмотров: 10918

Оптимальная температура эксплуатации большинства типов аккумуляторных батарей — +15-25 °С. Как правило, при минусовых температурах наблюдается значительное снижение емкости аккумуляторных батарей, работа же в условиях высоких температур окружающей среды способствуют развитию деградационных процессов внутри аккумуляторов, ускоряя процессы старения и существенно сокращая срок их службы.

Так, к примеру, срок службы никель-металлгидридных и герметичных необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов (технологии AGM) в условиях высоких температур будет существенно ниже, чем при нормальной (близкой к комнатной) температуре. Несмотря на то, что рабочая температура никель-металл-гидридных аккумуляторов устанавливается большинством производителем на рубеже: −60. +55 °C (-40. +55), оптимальной для их работы считается температура в 20°С. Произведения заряда / разряда данного типа батарей при высоких температурах ведет к необратимому существенному снижению их емкости. Если эксплуатировать аккумуляторные батареи указанного типа при 30-градусной жаре – срок их жизни сократится не меньше, чем на 20 процентов (%), если же эксплуатация будет проводится при 40 °С, то потери емкости будут ещё более существенны – до 40 процентов, а при 45 °С – до 50 процентов. Аналогичная ситуация наблюдается и в работе никель-кадмиевых и герметичних свинцово-кислотных AGM аккумуляторов. У Ni-Cd аккумуляторов довольно большой диапазон робочих температур, однако не совсем «любят» они высокие температуры, хоть и указанное свойство выражается у них не настолько ярко, как у никель-металл-гидридных. Что касается герметичних свинцово-кислотных AGM батарей, то повышение температуры эксплуатации на каждые 10 градусов выше 25 °С. приводит к снижению срока службы аккумулятора в 1,5 раза. Превышение температуры в 45-50°С для них губительно.

Работа в условиях высоких температур приводит к ускорению процессов старения и увеличения внутреннего сопротивления в большинстве типов литий-ионных аккумуляторных батарей. Исключением являются литий-железо-фосфатные (LiFePo4) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы – для них законы не писаны. Такие аккумуляторы устойчивы к температуре до 60 °С. Литий-полимерные аккумуляторы с сухим электролитом прекрасно приспосабливаются к повышения температуры условий эксплуатации. Чем выше будет температура окружающей среды, тем интенсивнее в них будут пробегать ионообменные процессы. По этой причине, они так полюбились пользователям в странах с жарким климатом.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePo4) имеют довольно широкий диапазон робочих температур: 20

60 °С. Холодная или жаркая погода практически не влияет на их работу. Такие аккумуляторные батареи устойчиво работают в особо жарких условиях. Как правило, конструкция литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей предусматривает использование специальных систем управления и балансировки (BMS), которые и защищают аккумуляторы от перегрева и перегрузки по току.

Литий-железо-фосфатные и литий-полимерные аккумуляторы имеют неоспоримое преимущество над источниками электропитания других технологий, единственных их недостаток – довольно высокая цена.

Работа в условиях низких температур отображается на снижении емкости аккумуляторных батарей. При температуре эксплуатации ниже -20 °С в герметичных свинцово-кислотных, никель-металл-гидридных, литий-ионных аккумуляторах наблюдаются необратимые разрушительные процессы. Несмотря на то, что LiFePo4 аккумуляторы, так же как и Li-pol, принадлежат к семейству литиевых, только первые способны довольно продуктивно работать при температуре до -20 °С не теряя своей емкости.

Не стоит думать, что если аккумулятор способен работать при низких температурах, то его можно будет заряжать в таких же температурных условиях. Функциональный диапазон заряда, как правило, отличается от разрядного, однако вписывается в ограничительный рубеж последнего. Так, заряд герметичных необслуживаемых свинцово-кислотных AGM батарей должен проводится при температуре от + 5 до 35 °С, LiFePo4 аккумуляторов – при 0

45°С, наиболее эффективно заряд никель-металл-гидридных батарей происходит в диапазоне температур от + 10 до 40 °С. При минусовых температурах способность к накапливанию энергии аккумуляторными батареями существенно снижается. Основное правило проведения подзарядки аккумуляторов – создания благоприятных условий для зарядного процесса, то есть проведения его в условиях температурного режима, который будет, как минимум выше температуры замерзания электролита. Необходимо учитывать тот факт, что полностью зарядить аккумуляторные батареи при низкой температуре никогда не удастся. К тому же, заряд аккумуляторов должен осуществляться только при рекомендуемом уровне напряжения. (Купить LiFePo4)

Источник