Режим разряда литиевых аккумуляторов

Статья-заметка, включающая в себя некоторые особенности эксплуатации литиевых аккумуляторов. Включает в себя описание нескольких мифов про данный тип аккумуляторов и особенности основных этапов эксплуатации, которые помогут продлить их жизнь.

Первый заряд

Миф: После покупки нового устройства аккумулятор требуется заряжать минимум 3-5-10 часов.

Откуда пошел этот миф мне неизвестно. По факту зарядное устройство любой литиевый аккумулятор заряжает за определенный промежуток времени, а затем отключается. То есть если мы оставляем аккумулятор заряжаться N-часов, то он заряжается за 2 часа, а затем N-2 часов зарядка просто отключена. Еще стоит сказать, что новый аккумулятор должен поставляться с уровнем заряда 30-50%. То есть, если Вы покупаете телефон, а он с разряженным в ноль аккумулятором (вообще не реагирует), советую Вам задуматься. В большинстве случаев, аккумулятор нормально зарядится и будет работать, вот велик шанс, что Вы на новом устройстве получите аккумулятор с емкостью 80% от номинала.

Но особенно непонятным для меня остается подобная рекомендация от производителей техники. К примеру, ниже есть выдержка из инструкции к электроинструменту AEG. Мало того, что рекомендуют заряжать долго, так еще и заявляют, что емкость наберется только через несколько циклов заряд-разряд. Такое ощущение, что первая половина рекомендаций перекочевала из инструкции от версии инструмента с Ni-Cd аккумулятором, а часть после была дописана при переходе на Li-Ion.

Хотя заряжать устройство дольше положенного первый раз может быть полезно для аккумуляторов, собранных из нескольких последовательных банок. Длительный цикл заряда в данном случае гарантирует то, что аккумулятор будет как следует отбалансирован.

Тренировка

Миф: Новый аккумулятор требуется первые несколько циклов полностью разрядить-зарядить, чтобы он набрал номинальную емкость.

Скорее всего данный миф возник из-за субъективного восприятия времени работы нового устройства. Сами вспомните, вы покупаете новый телефон и по началу активно играетесь с ним, понятное дело что он быстро разряжается. Затем использование устройства постепенно выходит на нормальный уровень, стабилизируется и время работы, причем на некоторой большей величине. Поэтому и имеем ощущение, что аккумулятор потихоньку раскачался.

Реально же, раскачать можно аккумуляторы на основе никеля и свинца, т.к. химические процессы в них частично обратимы. В случае литиевых аккумуляторов обратить, к сожалению, ничего нельзя, можно только замедлить (об этом ниже).

А вообще, за подробностями проходите сюда.

Нереальные емкости

Миф: Маркировки 100500мАч на корпусе аккумулятора.

Не совсем миф, просто факт наличия в продаже усиленных аккумуляторов с вкусными х-ками. Причем прослеживается зависимость: чем ниже стоимость, тем наглее производитель и большие цифры он рисует на теле аккумулятора.

Если посмотреть описание по ссылке, там есть характеристика «actual capacity». Это не опечатка, аккумулятор в реальности имеет емкость в 10 раз ниже заявленной. В данном случае, маркировка — это откровенный обман производителя.

Чтобы понять, какие в настоящий момент возможны максимальные емкости аккумуляторов тех или иных типоразмеров. Если кто-то предлагает аккумулятор в том же размере. Мало того, о качестве аккумуляторов говорит их вес. Конечно, технологии не стоят на месте, но чтобы понять, где в текущий момент ее передовая, достаточно посмотреть, что предлагают крупные производители аккумуляторов (к примеру, Samsung, Panasonic, Sanyo).

В текущий момент максимальную емкость имеют аккумуляторы Panasonic NCR18650B, для них это значение составляет 3400мАч. И даже в этом случае производитель немного лукавит, считая емкость для экстремально широкого диапазона разрядных напряжений: с 4.2В до 2.75В, на таком диапазоне никакая техника обычно не работает, ограничивая разряд либо значением 3.0В, либо вовсе 3.3В (в мобильных телефонах).

Заряд

Любое правильное зарядное устройство для литиевого аккумулятора должно работать по алгоритму CC-CV (Constant Current — Constant Voltage). Это означает, что в начале аккумулятор заряжается постоянным током (обычно не превышающим численное значение емкости аккумулятора). Когда напряжение на нем достигает требуемой величины (4.1, 4.2, 4.35В в зависимости от типа), зарядное устройство должно переходить в режим поддержания напряжения, с этого момента напряжение поддерживается постоянным, а зарядный ток постепенно падает.

Есть еще интересный момент. К примеру, имеем аккумулятор с конечным напряжением заряда 4.2В. Производитель заявляет для него 300 циклов заряд-разряд (т.е. через 300 циклов аккумулятор должен потерять не более 20% емкости). Если мы будем каждый раз заряжать аккумулятор до 4.25В (т.е. чуть перезаряжать, схема защиты аккумулятора при таких перезарядах еще не срабатывает), тогда число циклов уменьшится до 100, а если до 4.15В (т.е. теряя несколько процентов емкости), то число циклов увеличится до 500.

Граница здесь получается довольно маленькой, около 0.05В. Лично мое мнение, это одна из причин, почему в одном сотовом телефоне аккумулятор живет 1-2 года, а в другом потеря емкости начинает ощущаться только после 3-4 лет эксплуатации.

Разряд

Минимально допустимое напряжение при разряде устанавливается производителем аккумулятора. Обычно это значение лежит в пределах 2.5-2.7В. Ниже этого значения в аккумуляторе начинаются необратимые химические процессы, приводящие к необратимой потере емкости. Здесь все индивидуально, какой-то аккумулятор после ухода ниже потеряет 20% емкости, что может быть почти незаметно, а какой-то может потерять все 80%, то есть станет почти непригодным к использованию.

Очень интересен мой собственный опыт восстановления аккумуляторов после глубокого разряда. Имелась выборка из 40 литиевых банок Samsung INR18650 из 2х утопленных аккумуляторов от перфоратора. Первая сортировка банок была следующим образом: более 2.7В и менее 2.7В. Те, что имели напряжение более 2.7В были сразу отмечены как исправные. Далее шли разряженные. Это были аккумуляторы с напряжением 0-100мВ и 0.5-1.5В.

По итогу восстановления, те что имели хоть какое-то остаточное напряжение неплохо взяли заряд, сохранив более 50% изначальной емкости, а те что имели напряжение менее 100мВ, заряжаться отказывались: при зарядке вели себя как низкоомный резистор (таким образом можно предположить, что у них произошло внутреннее замыкание).

Вообще, в теории, зарядка такого «убитого» литиевого аккумулятора опасный процесс: при внутри у него начинает кристаллизоваться металлический литий и он нарастает на электроде. Таким образом, возможно замыкание аккумулятора. Если замыкание происходит в разряженном состоянии, тогда выделяется немного энергии, а вот если оно произойдет, когда аккумулятор полный, фейерверк обеспечен. Однако, подобных случаев мне неизвестно.

Хранение

Главный недостаток литиевого аккумулятора — он подвержен старению. Данный процесс необратим и запускается со дня производства аккумулятора. Старение проявляется постепенной потерей емкости. То есть кроме изнашивания в процессе эксплуатации, аккумулятор сам по себе теряет какую-то часть своей емкости. Обычно это значение в пределах 10% в год.

Что же влияет на скорость старения? В первую очередь это:

Уровень заряда, который находится в аккумуляторе в процессе эксплуатации.
Температура хранения.

Высокие температуры противопоказаны, при высоких эксплуатационных температурах аккумулятор деградирует быстрее, да и при хранении стареет быстрее.

Так же производителями рекомендуется хранить аккумулятор с уровнем заряда 30-50%, выше — скорость деградации увеличивается, ниже — есть риск уйти в переразряд. Официальная рекомендация AEG на этот счет:

То есть, попользовались зарядили (чтобы не было полных циклов), а пользоваться долго не планируем — разрядили до половины и храним. Кстати, некоторые Li-Po аккумуляторы при хранении со 100% зарядом имеют обыкновение разбухать.

Очень информативна данная таблица:

Как из нее видно, чтобы максимально снизить скорость старения, требуется: зарядить аккумулятор на половину и хранить при низкой температуре. С температурой главное не переусердствовать. Минимальная для литиевых аккумуляторов около -20С, при более низких есть риск заморозить электролит, что приведет к полной неработоспособности аккумулятора. Разумная температура 0-10С, т.е. то что имеется в камере холодильника (не морозилке!).

Хранение лития в холодильнике — практика, распространяющаяся среди авиамоделистов, есть темы где идет обсуждение этого процесса (к примеру эта). С недавнего времени, у меня появилось довольно много литиевых аккумуляторов для инструмента, которые в полном объеме требуются раз в несколько месяцев. Поэтому захотелось продлить аккумуляторам жизнь. Для этого купил пластиковые герметичные контейнеры и силикагель. Последний необходим потому что при понижении температуры воздуха в замкнутом объеме влажность повышается (вплоть до выпадения росы). Эту избыточную влажность необходимо поглотить.

Источник

Разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов

Первые литий-ионные аккумуляторы были довольно непрочными и считались непригодными для высоких нагрузок. Но сегодня ситуация изменилась, и эта электрохимическая система стоит наравне с никелевой и свинцовой. Существует две основные направленности литий-ионных аккумуляторов — оптимизация под энергетические (емкостные) и мощностные требования.

1. Оптимизация под энергетические (емкостные) показатели

Энергетический литий-ионный элемент оптимизирован под максимальную емкость для обеспечения долгой автономной работы. Примером такого элемента является Panasonic NCR18650B (рисунок 1), которая обладает высокой емкостью, но при разрядке значением в 2С и больше имеет существенное проседание характеристик. При пороговом значении напряжения отсечки в 3,0 В на элемент, разрядка силой 2С снизит емкость до 2,3 Ач вместо номинальных 3,2 Ач. Такие элементы рассчитаны, в первую очередь, для портативных компьютеров и других не особо мощных применений.

Рисунок 1: Разрядные характеристики Panasonic NCR18650B. Элемент емкостью 3,200 мАч разряжается силой 0,2С, 0,5С, 1С и 2С. Отмеченная красным кружком область с пороговым напряжением отсечки 3,0 В на линии разряда силой 2С фиксирует момент полного разряда. Понижение температуры окружающей среды также приведет к потерям емкости, при 25°С емкость будет соответствовать номиналу, при 0°С ее значение будет составлять

83 % от номинальной емкости, при -10°С —

Standard Range AGM	Deep Cycle Range AGM	Gellyte Range GEL

10 — 12 лет / 600 циклов	10 — 12 лет / 700 циклов	10 — 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM	для глубоких разрядов AGM	универсальная серия GEL

2. Оптимизация под мощностные показатели

Элемент Panasonic UR18650RX имеет небольшую емкость, но превосходные нагрузочные характеристики. Разряд силой тока 10 А (5С) приводит к минимально возможным потерям емкости с напряжением отсечки 3,0 В. Такие элементы предназначены для устройств с высокими токами нагрузки, например, для электроинструмента.

Рисунок 2: Разрядные характеристики Panasonic UR18650RX. Показан разряд этого 1950 мАч элемента С-рейтингом 0,2С, 0,5С, 1С, 2С и фиксированной силой тока 10 А. Разрядка всеми вышеперечисленными значениями обеспечивает емкость на уровне 2000 мАч при пороговом напряжении отсечки 3,0 В. Данные элементы обладают умеренной емкостью, но в состоянии удовлетворить высокий ток нагрузки. При понижении температуры окружающей среды реальная емкость понизится до: при 25°С — 100% от номинала, 0°С —

Оптимизированный под показатели мощности элемент способен обеспечить непрерывный разряд силой 10С. Это означает, что элемент типоразмера 18650 емкостью 2000 мАч может обеспечить непрерывное питание нагрузки силой тока 20 А (30 А – в случае, если это элемент Li-фосфатной технологии). Такая превосходная производительность достигается частично за счет снижения внутреннего сопротивления, а также за счет оптимизации площади поверхности активного вещества. Низкое сопротивление обеспечивает высокое значение электрического тока с минимальным повышением температуры. Эксплуатация при максимально допустимом разрядном токе нагревает элемент примерно до 50°С, тогда как максимально допустимая температура составляет 60°С.

Marin GEL Range	Deep Cycle GEL Range	Solar GEL Range

10 — 12 лет / 800 циклов	10 — 12 лет / 800 циклов	10 — 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров	для глубоких циклических разрядов	для солнечных электростанций

Для удовлетворения нагрузочным характеристикам у производителей аккумуляторов есть два пути: использование оптимизированных под мощность элементов или увеличение размеров аккумулятора из элементов, “заточенных” под емкость. Подобный метод из увеличения количества элементов используется в аккумуляторных системах электромобиля Tesla, и хотя такая система обеспечит отличный показатель автономного времени работы, ее вес и стоимость будут значительно увеличены.

3. Сигнатура разрядки

Одним из уникальных свойств аккумуляторов на основе лития и никеля является способность обеспечения непрерывной высокой мощности, вплоть до полного исчерпания аккумулятора. Это свойство становится возможным благодаря быстрому электрохимическому восстановлению. Свинцово-кислотный аккумулятор является “медленным”, его можно сравнить с фломастером, которому для восстановления способностей после расхода краски необходимо некоторое время. И в то время как восстановление характеристик относительно быстрое при разрядке (например, при запуске двигателя стартерным аккумулятором), то вся медлительность химических реакций становится очевидной при зарядке, которая длится 14-16 часов. С увеличением возраста свинцово-кислотного аккумулятора скорость восстановления его характеристик становится только хуже.

Аккумулятор может разряжаться постоянной нагрузкой, скажем в 0,2С, как, например, происходит в фонарике, но многие другие устройства требуют кратковременных нагрузок, в два-три раза превышающих допустимый разрядный С-рейтинг. Примером такого импульсного потребления электричества может служить технология GSM (Global System for Mobile Communications), используемая в мобильных телефонах. GSM требует пикового значения силы тока в 2 А каждые 577 микросекунды. Такая специфичность работы выдвигает особые требования к небольшим аккумуляторам, к тому же, при высокой частоте импульсного энергопотребления, электрические батареи начинают вести себя как большие конденсаторы и их характеристики, соответственно, меняются.

Рисунок 3: Разрядные импульсы GSM-приемника мобильного телефона. Импульсы частотой 577 микросекунд зависят от расстояния до ближайшей вышки и могут достигать 2 А.

Phoenix Charger	Skylla-i	Skylla-TG

12/24В, 16-200А	24В, 80-500А	24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

С точки зрения долговечности, аккумуляторной батарее наиболее предпочтителен постоянный разрядный ток умеренной силы в сравнении с импульсной или одномоментной высокой нагрузкой. Рисунок 4 демонстрирует уменьшающуюся емкость NiMH аккумулятора при различных условиях разрядки — от “мягкого” постоянным током 0,2С до импульсного режима. Стоит отметить, что большинство электрохимических систем, в том числе и литий-ионная, будут демонстрировать похожее поведение с нагрузочными характеристиками, указанными на рисунке 4.

Рисунок 4: Жизненный цикл никель-металл-гидридного аккумулятора при различных условиях нагрузки. NiMH лучше работает с постоянным разрядным током и аналоговыми устройствами, подключение цифровых устройств снижает срок службы. Li-ion ведет себя аналогичным образом.

На рисунке 5 анализируется количество полных циклов оптимизированного под емкостные показатели литий-ионного элемента при разрядке различными значениями С-рейтинга. При значении 2С аккумулятор подвергается значительному стрессу, ограничивая период снижения емкости до половины номинального значения всего лишь 450 циклами.

Рисунок 5: Жизненный цикл оптимизированного под емкостные показатели литий-ионного элемента при различных условиях нагрузки. При высоких нагрузках износ абсолютно всех аккумуляторных батарей увеличивается. Но элементы, оптимизированные под мощностные показатели, являются более выносливыми и надежными в случае высоких нагрузок.

OPzS	NI-CD	OPzV

20 лет / 1500 циклов	25 лет / 2000 циклов	20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

4. Рекомендации относительно разрядных процессов аккумуляторных батарей

Тепло увеличит производительность аккумулятора, но каждые 10°С выше 25-30°С будут сокращать срок его службы вдвое. Рекомендуется держать аккумулятор в прохладном месте.

Не допускайте чрезмерной разрядки.

При высоких нагрузках и повторяющихся глубоких разрядах использование большого аккумулятора минимизирует наносимый стресс.

Разрядка умеренным постоянным током лучше для аккумулятора в сравнении с импульсными и высокими кратковременными нагрузками.

Аккумулятор показывает свойства конденсатора при разрядке высокочастотным током. Это позволяет использовать более высокие пиковые токи в сравнении с разрядкой постоянным током.

Аккумуляторы на основе никеля и лития имеют высокое химическое быстродействие; свинцово-кислотные же являются медленными, и им необходимо несколько секунд для восстановления характеристик между тяжелыми разрядами.

Приближение к граничным уровням заряда и разряда несет деградационный характер для всех электрохимических систем.

Источник