Температура работы литий ионного аккумулятора

Наблюдения за поведением температуры при заряде и разряде Li-Ion аккумуляторов

Благодаря своей высокой удельной емкости, литий-ионные аккумуляторы постепенно вытесняют свинцовые (SLA) и никель-металл-гидридные (NiMH) из многих стационарных и портативных приложений. Но, по мере создания более мощных литиевых аккумуляторов, все острее встает вопрос управления потоками тепла при заряде и разряде.

Повышение температуры в литий-ионных аккумуляторах всегда было основной проблемой для конструкторов. Для большинства литий-ионных аккумуляторов предельная температура в режиме заряда установлена равной 45 °C, а в режиме разряда – 60 °C. Эти границы можно сдвинуть немого вверх, но ценой будет уменьшение срока службы аккумуляторов. А в худшем случае это может привести к повреждению, или даже воспламенению элементов аккумулятора. Новые аккумуляторы на основе LiFePO₄ обещают расширить границы предельных температур заряда и разряда, но ограничения все равно останутся.

Вызывающая нагрев литий-ионных аккумуляторов энергия имеет несколько источников. Во время, как заряда, так и разряда, компоненты электронных схем, расположенные вблизи аккумулятора, отдают тепло в его элементы. Это особенно существенно во время заряда, так как заряд обычно осуществляется от импульсного источника питания с контроллером, который реализует алгоритм CC/CV (заряд постоянным током/постоянным напряжением). Не менее 10% энергии источника питания теряется в виде тепла, которое различными путями, в частности через выводы, передается в аккумулятор. В некоторых схемах заряда КПД не превышает 70%.

Другими источниками тепла являются схемы защиты аккумулятора и указателей уровня заряда. К таким источникам тепла относятся термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), термопредохранители (TCO – thermal cutoff fuse), электронные предохранители, MOSFET первичной защиты и токовый шунт указателей уровня заряда (Рис. 1). При больших токах нельзя не учитывать и сопротивление никелевых полосок, соединяющих элементы аккумуляторной батареи.

Рис. 1.	Источниками тепла внутри аккумулятора являются термистор и термовыключатель, электронный предохранитель, MOSFET в схеме первичной защиты, и токоизмерительный шунт в измерителе уровня заряда.

Надписи на рисунке
Overcurrent	Перегрузка по току
Overtemperature	Перегрев
PTC	Термистор
TCO	Термовыключатель
Secondary safety	Вторичная защита
Non-resistable fuse	Нерезистивный предохранитель
Overvoltage protection	Защита от повышенного напряжения
Overvoltage	Повышенное напряжение
Undervoltage	Пониженное напряжение
Unbalance	Разбаланс
Protection MPSFETs	MOSFET транзисторы защиты
Balancing and primary safеty	Балансировка и первичная защита
Shunt	Шунт
Capacity and status	Емкость и статус
Gas gauge	Измеритель уровня заряда

Большинство компонентов, через которые проходит ток, имеют резистивный характер. Выделяемое компонентом тепло пропорционально квадрату протекающего через него тока (P = R·I 2 ). При небольших (менее 1 А) токах заряда/разряда на сопротивлениях включенного защитного MOSFET транзистора и токового шунта тепла выделяется немного. Но при больших токах эти сопротивления становятся определяющими. Совсем нередко Li-Ion аккумуляторы отдают ток 10 А, а заряжаются током 5 А. При таких токах даже самое незначительное сопротивление может за несколько часов заряда или разряда внести существенный вклад в повышение температуры аккумулятора.

Взгляд на элементы аккумулятора

Источники тепла, не относящиеся к электронным компонентам, часто не принимают во внимание. Между тем, обладают сопротивлением внутреннее устройство защиты от перегрузки, анод и катод, и через них так же протекает ток, вызванный химическими реакциями в элементах батареи.

Для большинства Li-Ion аккумуляторов производители указывают внутренне сопротивление в диапазоне от 80 до 100 мОм. Это сопротивление может быть серьезным источником тепла, когда заряд и разряд производятся максимальными токами. Сейчас на рынок поставляются аккумуляторы с максимальным током разряда 10C … 20C. (1C – ток, численно равный емкости аккумулятора в А·ч, например для аккумулятора 2400 мА·ч, 1C = 2.4 А). Конечно, тока 20C аккумулятор долго не выдержит, но и за короткое время его температура может повыситься очень сильно.

Почти полностью игнорируются химические реакции в элементах аккумуляторной батареи. Реакция, которая происходит во время заряда ячейки литий-ионной батареи, является эндотермической, т.е., она поглощает тепло. Но в термодинамике не бывает бесплатных обедов, и при разряде тепло выделяется. В 1995 году в Центральном научно-исследовательском институте электроэнергетики (CRIEPI) с помощью калориметра провели классические исследования химических реакций в Li-Ion аккумуляторах. Рисунок 2 взят из доклада, составленного по результатам этих исследований (см. http://criepi.denken.or.jp/en/e_publication/a1996/96seika29.html).

Рис. 2.	Реакция, происходящая при заряде Li-Ion аккумуляторов, является эндотермической (A), а при разряде – экзотермической. Обратите внимание, что на последнем этапе разряда выделение температуры резко увеличивается, сигнализируя о быстром росте выходного сопротивления аккумулятора перед наступлением полного разряда.

Надписи на рисунке
Charge	Заряд
Discharge	Разряд
Voltage (V)	Напряжение (В)
Cell voltage	Напряжение на ячейке аккумулятора
Heat flow (mW)	Тепловой поток (мВт)
Time (hours)	Время (час)

На графике тепловые потоки показаны на фоне цикла заряда одиночного Li-Ion элемента, и следующего за ним цикла разряда. Обозначенный буквой «A», начальный участок графика иллюстрирует эндотермическую природу химической реакции заряда. Область разряда, отмеченная буквой «B», совершенно очевидно, имеет экзотермический характер. Но что интересно, вблизи конца области разряда скорость выделения тепла резко возрастает, что указывает на быстрое увеличение внутреннего сопротивления элемента перед полным разрядом. (Заметим, что заряд и разряд в этих экспериментах выполнялись постоянным током).

Эндотермическая составляющая происходящих в аккумуляторе химических процессов весьма незначительна по сравнению с остальными источниками тепла. В любом случае, преобладающим будет влияние элементов, выделяющих тепло, и температура аккумулятора при заряде будет повышаться.

Строго экзотермический характер химической реакции при разряде может вызвать сильный нагрев аккумулятора в конце разряда. Это усугубляется тем, что мощность, забираемая от аккумулятора, как правило, постоянна, и для поддержания постоянной мощности ток в конце разряда должен увеличиваться. При этом все резистивные составляющие элемента батареи начинают выделять еще больше тепла.

Аспекты конструирования

Надлежащим образом сконструированная аккумуляторная батарея должна содержать устройство защиты от перегрева. В большинстве схем первичной и вторичной защиты литий-ионных аккумуляторов содержатся MOSFET транзисторы, которые открываются, если температура становится слишком высокой (или, если нужно, слишком низкой). Как показано на Рис. 1, некоторые первичные и вторичные схемы защиты могут открывать электронные предохранители. Это происходит лишь в крайнем случае, так как подобные предохранители не могут самовосстанавливаться, и открывшись, отключают батарею аккумуляторов.

При конструировании литий ионных аккумуляторов для больших токов нагрузки необходимо принимать во внимание множество факторов. Следует предусмотреть отвод тепла от резистивных элементов электронной схемы, и от самих элементов батареи. При очень больших токах, характерных, например, для аккумуляторов транспортных средств, может потребоваться воздушное, а может быть, и жидкостное охлаждение аккумуляторов.

Для уменьшения разогрева самих аккумуляторов, разработчики соединяют в батарею несколько элементов параллельно, снижая, таким образом, ток через каждый элемент. Но это порождает и проблему, связанную с разбросом параметров элементов, из-за чего ток может течь из одного элемента в другой. Проблема решается установкой в батарею дополнительных PTC термисторов, что усложняет и удорожает аккумулятор.

Литий-ионные аккумуляторы становятся все мощнее и занимают ниши, в которых раньше доминировали свинцовые и никелевые аккумуляторы. Это требует все более серьезного отношения разработчиков аккумуляторов к вопросам выделения тепла. Следствием игнорирования этих вопросов будет, как минимум, плохая батарея, а в худшем случае, небезопасная и ненадежная.

Литература

1. Use Cell Balancing To Enable Large-Scale Li-ion Batteries (Использование балансировки элементов в мощных Li-Ion аккумуляторах)
2. Changes To IEEE 1625 Establish A High Bar For Battery Design (Изменения в стандарте IEEE 1625 поднимают планку проектирования аккумуляторов)
3. Mind Your Thermal Management To Improve Reliability (Для повышения надежности не забывайте о контроле температуры)

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

На Токе заряженный портал

Как ведут себя Li-ion аккумуляторы на морозе и как их правильно эксплуатировать в таких условиях — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Как ведут себя Li-ion аккумуляторы на морозе и как их правильно эксплуатировать в таких условиях

Как ведут себя Li-ion аккумуляторы на морозе и как их правильно эксплуатировать в таких условиях

Тот, в чьём распоряжении находятся литий-ионные аккумуляторы, прекрасно знает, что на холоде они разряжаются гораздо быстрее чем в тепле. Причём это правило действует не только в отношении смартфонов. На морозе в ускоренном режиме теряет свою ёмкость любой Li-ion накопитель, а вот насколько именно — зависит от химсостава применяемого в нём электролита.

Самые пригодные для мороза — литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи. Понятное дело, что зимой можно использовать и литиевые источники питания другого химсостава, только такой солидной отдачи, как в тёплое время года, от них ждать не приходится. Ну а в данной теме я хочу обсудить такие вопросы: что происходит с литиевым накопителем энергии на морозе и как правильно обращаться с такими источниками питания при серьёзном минусе на улице.

Содержание:

• Что происходит с Lithium-ion электронакопителями на морозе?
• Можно ли хранить Lithium-ion электронакопители на морозе?
• Допустимо ли заряжать Lithium-ion батареи при минусовой температуре?
• Как сохранить работоспособность Lithium-ion АКБ — простые правила.
• Какая стойкость к минусовым температурам у разных типов Lithium-ion источников питания?
• Как защитить Li-ion накопитель от холода?
• Влияние холода на Lithium-ion электронакопители разных производителей и моделей (результаты одного теста).
• Морозостойкие Lithium-ion аккумуляторы Boston Power Swing 5300.

Что происходит с Lithium-ion электронакопителями на морозе?

Снижается температура электролита, что влечёт за собой уменьшение скорости движения ионов, также снижается активность химических процессов. Как это выглядит на практике? Вот зарядили мы в доме электронакопитель на сто процентов, выходим с ним на мороз и через некоторое время вуаля — ёмкость нашего аккумулятора уже 80% или даже 50%! Это без учёта того, что ещё девайс будет отбирать у нашей батарейки драгоценную энергию.

Если сравнивать объём отдаваемой энергии при +20 градусах и других показателях температуры, то:

• при снижении температурного режима до +4 градусов, количество отдаваемой энергии снизится на 5-7%;
• при последующем падении температуры ниже нуля, потеряется 20-50% ёмкости и кроме того, будет преждевременно исчерпываться ресурс электронакопителя.

Тут имеет место очень интересный момент: потеря ёмкости АКБ — явление временное. Если вы нагреете источник энергии до +20. +22 градусов (это комнатная температура), его характеристики полностью восстановятся. А вот если температура АКБ опустится ниже минус сорока — необратимых последствий для батарейки избежать не удастся. Чтобы не доводить свой накопитель до крайностей, не следует использовать его при температуре ниже -20 градусов, для литий-железо-фосфатных — ниже -30 градусов. Однако если говорить в общем, то литиевые АКБ и минусовые температурные режимы — вполне могут подружиться.

Помните: при минусе за окном, батареи разряжаются в ускоренном режиме, а продолжительное хранение электроаккумулятора при глубоком разряде, влечёт за собой неизбежный выход из строя.

А вот примерные потери ёмкости в зависимости от уровня заряда и температурного режима при хранении батареи:

Можно ли хранить Lithium-ion электронакопители на морозе?

Как уже было сказано выше, эксплуатировать Li-ion АКБ при отрицательной температуре окружающей среды можно, хотя они и утрачивают в некоторой степени свои рабочие кондиции. Совсем по другому обстоят дела с долгим хранением в холодной среде — тут вердикт однозначен — это вообще недопустимо. При минусовых показателях временно понижается отдача тока и возрастает темп саморазряда аккумулятора. В принципе, это не критично, если после использования электронакопитель опять перенести в тёплое место и после нагревания подвергнуть зарядке.

Однако при продолжительном хранении при отрицательной температуре, ускоренный саморазряд может обусловить критический разряд электробатареи. Если АКБ хранится с напряжением ниже 2,5 V, 90 дней или дольше – будет наблюдаться необратимая потеря ёмкости. Иначе говоря, батарея не сможет восполнять заряд. Отсюда следует простой вывод — «замораживать» Li-ion строго противопоказано. Самый приемлемый температурный режим для хранения таких изделий — +1. +25 градусов, максимально дозволенный — 0. +40 градусов.

Для хранения литий-ионных источников питания найдите сухое место и кроме того, АКБ не должна находиться в оборудовании, которое она обслуживает. Также, уровень заряда должен находиться на 40-процентной отметке. Все эти мероприятия позволят уйти от крайнего понижения напряжения при саморазряде.

Очень не повезёт тому юзеру, у которого напряжение упадёт ниже отметки 2,5 V на элемент. Если такое произойдёт, то последующее хранение электронакопителя в течение 90 дней или более, повлечёт за собой необратимую потерю ёмкости. Также, можно ожидать и коррозию элементов. Если гаджет хранится больше недели с напряжением до 2 V на компонент, будет иметь место пагубное преобразование химической структуры. По итогу, эти компоненты придётся утилизировать.

Допустимо ли заряжать Lithium-ion батареи при минусовой температуре?

Заряжать литиевые источники энергии на морозе категорически не рекомендуется. После того как накопитель поработал на минусовой температуре, его необходимо нагреть в помещении. Но, прогревать аппаратуру нужно естественным образом, постепенно. Не располагайте её вблизи источников тепла.

При какой температуре заряжать лучше всего? Оптимальным считается диапазон +10. +25 градусов. Если накопитель зарядить на морозе и занести в тёплое помещение, он окажется заряженным сверх нормы. Перезаряд в свою очередь, как и крайний разряд, пагубно сказывается на эффективности функционирования батареек и продолжительности их жизни.

Как сохранить работоспособность Lithium-ion АКБ — простые правила

Не хотите преждевременно распрощаться с вашей драгоценной батарейкой? Соблюдайте приведённые ниже правила:

1. Заряжайте накопитель энергии не доводя его до критического разряда, при плюсовой температуре.

2. Не заряжайте переохлаждённые АКБ — сначала прогрейте их до комнатной температуры.

3. Для зарядки батарей используйте только оригинальную зарядную аппаратуру, которую рекомендует производитель для своей продукции.

4. Не храните накопитель при отрицательных температурах. Однако не нужно думать, что высокая температура идёт на пользу изделию. Превысите +30 градусов — также будут проблемы.

5. Если источник энергии предполагается оставлять на долгосрочное хранение, обеспечьте ему 35-50% заряда.

6. Не храните продолжительное время глубоко разряженные электроаккумуляторы. В этой ситуации они будут деградировать в ускоренном режиме.

7. Не допускайте перезарядки батареи. Если вы зарядите батарейку на 100% при минусе, а затем обеспечите ей комнатную температуру — перезаряда не избежать.

Какая стойкость к минусовым температурам у разных типов Lithium-ion источников питания?

Каким же разновидностям литиевых накопителей энергии отдать предпочтение в морозную погоду? Лидерами здесь являются литий-железо-фосфатные и литий-титанатные изделия. Последние кстати, на индивидуальном электрическом транспорте применяются крайне редко. Почему? К сожалению, ценник на такие изделия огорчает очень многих пользователей и кроме того, у них низкая удельная энергоёмкость.

Совсем другая ситуация с литий-железо-фосфатными источниками энергии. В холодное время года им просто нет равных! Поэтому, стоит поближе познакомиться с их достоинствами:

1. Могут полноценно выполнять свои прямые обязанности в широком диапазоне температур — -30. +55 градусов.

2. Обладают низким сопротивлением.

3. Отличаются долговечностью.

4. Термически стабильны.

5. Устойчивы к высокому уровню заряда.

6. Можно хранить при высоком напряжении.

7. Максимально безопасны в использовании, даже при стопроцентном заряде.

Не стоит рассчитывать на эффективную работу при минусе обладателям таких разновидностей литиевых АКБ:

• литий-кобальтовые;
• литий-марганцевые;
• литий-никель-марганец-кобальт-оксидные.

Как защитить Li-ion накопитель от холода?

Чтобы по максимуму снизить негативное влияние минусовых температур на аккумуляторную батарею, не нужно оставлять её на продолжительное время на морозе. Старайтесь изымать АКБ с устройства и заносить её в тёплое помещение.

Отличным решением будет применение термокейса, который, в принципе, можно изготовить и собственными руками. В процессе своей деятельности аккумулятор будет нагреваться, а утеплитель не даст ему быстро потерять тепло во время не длительного простоя.

Влияние холода на Lithium-ion электронакопители разных производителей и моделей (результаты одного теста)

Я предлагаю вам интересный эксперимент, который показывает, что литий-ионные источники питания весьма разнятся по последствиям воздействия на них низких температур. Даже если батареи имеют схожие характеристики, при морозе их работоспособность будет отличаться в значительной степени.

Для тестирования были выбраны семь Li-ion накопителей энергии формата 18650:

Приведённые выше модели АКБ являются наиболее распространёнными и доступными. Они могут выдерживать постоянный ток разряда до 20 A. Эти батареи можно обнаружить на электрифицированных средствах передвижения, в аккумуляторном инструменте, портативных источниках энергии, а также электронных сигаретах.

Тесты осуществлялись при температуре -24 градуса. Ток разряда — 10 A. В процессе тестирования элементы не извлекались из морозилки.

Результаты замеров

Все источники энергии проявили активность, однако с очень разными результатами.

Ниже приведён график разряда накопителей при комнатной температуре и при температуре -24 градуса:

При увеличении графика можно наблюдать, что накопители отличаются по своему поведению в значительной степени. У Samsung 30Q напряжение опустилось до критических показателей, а кривая LG HG2 пребывает в штатном диапазоне напряжений.

Разряд литий-ионных батарей при температуре -24 градуса:

Что мы можем наблюдать на данном графике? Ничего хорошего для Samsung 30Q. Напряжение батарейки просело до минимально дозволенного, а из этого следует, что девайс на котором установлены элементы Samsung 30Q, в сильный мороз с большой вероятностью не запустится.

Разряд Samsung 30Q при температуре -24 градуса:

Как изменяется напряжение источников энергии на морозе

Батарейки целые сутки находились в морозилке при температуре -24 градуса. При замерах, изделия из места заморозки не извлекались.

Номинальное напряжение накопителей — 3,6 V, предел рабочих напряжений — 2,5-4,2 V. Как правило, электроника адекватно функционирует в пределе напряжений 2,7-4,2 V. Осветительные приборы и другие не слишком требовательные девайсы могут выполнять свои прямые обязанности и в более широком диапазоне — 2,5-4,35 V.

Результаты замеров:

• Samsung 30Q — 2,68 V;
• Samsung 25R — 2,78 V;
• Sony VTC5 — 2,6 V;
• LG HE2 — 2,89 V;
• LG HE4 — 2,82 V;
• LG HG2 — 3,16 V;
• Sanyo NSX — 2,67 V.

Как видим, напряжение на всех АКБ превышает напряжение разряда. У LG HG2 оно приближено к номинальному. У Samsung 25R, LG HE2 и LG HE4 — скромнее номинального, но в то же время, его хватает для запуска большинства гаджетов. А вот и неудачники: Samsung 30Q, Sony, а также Sanyo — у них напряжение приближено к нижней черте диапазона. Весьма вероятно, что гаджет обслуживаемый данными элементами не заработает, а индикатор уровня заряда продемонстрирует полный разряд батареи.

Влияние мороза на время функционирования АКБ

График демонстрирует, что продолжительность функционирования батарейки LG HG2 при минусе и при домашней температуре — идентичная:

Делаем выводы по эксперименту

1. Литий-ионные источники энергии весьма разнятся между собой. Вроде бы и характеристики у них одинаковые, а вот на морозе они показывают себя по-разному.

2. Снижение эффективности функционирования при минусовых температурах — это не «заслуга» самой литий-ионной технологии. Здесь имеет место специфика отдельно взятой модели электронакопителя.

3. Для минусовой температуры вполне удачным вариантом будут электробатареи LG HG2.

4. На переохлаждённых источниках питания напряжение растёт первые 50-100 секунд. Почему так происходит? Тут всё просто: разряжаясь АКБ производят тепло и таким образом создают себе обогрев. Кроме того, батареи могут получать дополнительное тепло от электронных схем, находящихся в едином корпусе с ними.

5. Не нужно сразу выжимать из промёрзшего электронакопителя полную мощность. Выгоднее будет дать ему повысить температуру на средней мощности.

Морозостойкие Lithium-ion аккумуляторы Boston Power Swing 5300

И напоследок, я бы хотел предложить на ваш суд морозоустойчивые накопители с весьма привлекательными характеристиками:

По размерам и массе, один элемент Swing 5300 идентичен парочке традиционных 18650, а его ёмкость при этом составляет 5300 mAh (это как два элемента по 2650 mAh). Кстати сказать, Boston Power предоставил вполне «правдивый» показатель ёмкости — юзеры убедились в этом лично, после проведения замеров «на честность».

А вот и результаты суровых испытаний. Перед проверкой, изделия сутки пролежали в морозилке при температуре -18 градусов и далее, заряженный источник питания непринуждённо отдавал заряд, а разряженный — «заправлялся» без проблем. При этом наблюдалось незначительное понижение ёмкости на таком минусе.

Конечно, после основательного перемерзания, АКБ «затормаживается» в некоторой степени, но, как только батарея включается в процесс работы, в течении 2-3 минут она приходит в себя. При этом не важно, работает она на заряд или разряд.

Что касается других характеристик, то по ёмкости морозоустойчивая разработка несколько уступает современным Li-ion элементам, к примеру тому же всенародно обожаемому Panasonic 3400. Однако разница эта не существенная — приблизительно 20%. Зато, Swing 5300 может порадовать пользователей количеством циклов перезарядки, которое в несколько раз превышает таковое у обыкновенного Li-ion накопителя.

Ещё один, весьма значимый момент: по напряжению заряда/разряда Swing 5300 соответствуют остальным Lithium-ion источниками питания. То есть, их можно юзать с той же электроникой и комбинировать в параллель с обычными «летними» элементами, для создания более ёмкого накопителя энергии.

Изделия можно юзать как в холодное время года, так и жарким летом. Можно использовать и в «переходной» период: к примеру в марте, когда всё ещё можно «попасть» на морозы, но в то же время уже достаточно много солнечных дней.

Что по деньгам? Вполне употребимо — цена как на традиционный качественный Lithium-ion.

Кстати сказать, изначально ориентир фирмы Boston Power был в первую очередь на разнообразные электрифицированные средства передвижения, где устойчивость к морозам и большой ресурс стояли во главе угла. Также их разработчики работали в направлении альтернативной энергетики. А вот и изюминка: сейчас источники питания Boston Power активно покапает NASA! Так что, в вашем распоряжении за доступную себестоимость могут оказаться чуть ли не «космические технологии»!

Заключение

Можно ли нормально эксплуатировать литий-ионные источники энергии при минусовых температурах? Можно, и тут всё зависит от химсостава используемой батарейки и соблюдения правил её эксплуатации. Больше всех не боятся мороза литий-железо-фосфатные АКБ. А что касается остальных представителей Li-ion технологии, то их также можно юзать зимой, вот только температура окружающей среды не должна быть ниже -20 градусов. Конечно, есть возможность немножко облегчить жизнь «подмороженным» девайсам. К примеру, их можно поместить в термокейс изготовленный из теплоизоляционных материалов.

Бессмысленно спорить с тем фактом, что запас хода у одного и того же электронакопителя зимой будет скромнее, чем при плюсовой температуре. К сожалению, от временного снижения ёмкости АКБ в зимнее время — никуда не деться!

По вопросам зарядки и хранения, ответ прост — всё это нужно делать исключительно при положительных температурах. Если источник энергии нужно установить на подзарядку, а он переохлаждён, занесите его в тёплую комнату, подождите 2-3 часа пока изделие нагреется, и только потом подключайте к нему зарядное устройство.

Источник