Инженер
0,2
рейтинг
13 июля 2014 в 15:15

Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

Ранее тема обсуждалась в следующих постах:

Как продлить жизнь (ресурс) литий-ионной аккумуляторной батареи
Почему литий-ионные батареи умирают так рано?
5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

Далее приведены данные, полученные по результатам экспериментов над аккумуляторами различных производителей.

Особенности тестирования


Тесты на количество циклов проводились при разрядке током 1С, для каждого аккумулятора проводились циклы разрядки/зарядки до достижения 80% емкости. Такое число было выбрано исходя из сроков тесто и для возможного сравнения результатов впоследствии. Число полных эквивалентных циклов — до 7500 в некоторых тестах.
Тесты на срок службы проводились при различных уровнях заряда и температуре, каждые 40-50 дней проводились измерения напряжения для контроля разряда, длительность тестов составляла 400-500 дней.

Главной сложностью в экспериментах являются расхождения в заявленной емкости и реальной. Все аккумуляторы имеют емкость выше, чем заявленная, от 0,1% до 5%, что вносит дополнительный элемент непредсказуемости.

Наиболее часто использовались аккумуляторы NCA и NMC, но также тестировались литий-кобальт и литий-фосфатные аккумуляторы.

Немного терминов:
DoD — Depth of Discharge — глубина разряда.
SoC — State of Charge — уровень заряда.

Использование аккумуляторов


Количество циклов

На данный момент есть теория, что зависимость количества циклов, которые может выдержать аккумулятор от степени разряда аккумулятора в цикле имеет следующий вид (синим обозначены циклы разрядки, черным — эквивалентные полные циклы):


Данная кривая носит названия кривой Вёлера (Wöhler). Основная идея пришла из механики о зависимости числа растяжений пружины от степени растяжения. Начальное значение в 3000 циклов при 100% разряде батарей является средневзвешенным числом при разряде в 0,1С. Какие-то аккумуляторы показывают лучшие результаты, какие-то хуже. При токе 1С число полных циклов при 100% разряде падает с 3000 до 1000-1500 в зависимости от производителя.

В целом, данное соотношение, представленное на графиках, получило подтверждение по результатам экспериментов, потому целесообразным является зарядка аккумулятора при любой возможности.

Расчет суперпозиции циклов

При эксплуатации аккумуляторов возможна работа при одновременном наличии двух циклов (например, рекуперативное торможение в автомобиле):

Получается следующий комбинированный цикл:

Возникает вопрос, как это сказывается на эксплуатации аккумулятора, сильно ли уменьшается ресурс аккумулятора?

По результатам экспериментов комбинированный цикл показал результаты, как от сложения полных эквивалентных циклов двух независимых циклов. Т.е. относительная емкость аккумулятора в комбинированном цикле падала соответственно сумме разрядов на малом и большом циклах (линеаризованный график представлен ниже).

Влияние больших циклов разрядки более существенно, а значит подтверждается то, что аккумулятор лучше заряжать при каждой возможности.

Эффект памяти

Эффект памяти литий-ионных аккумуляторов по результатам экспериментов отмечен не был. При различных режимах его полная емкость все равно впоследствии не изменялась. В то же время есть ряд работ, которые подтверждают наличие данного эффекта в литий-фосфатных и литий-титановых аккумуляторах.

Хранение аккумуляторов


Температуры хранения

Тут никаких необычных открытий не было сделано. Температуры 20-25°C являются оптимальными (в обычной жизни) для хранения аккумулятора, если его не использовать. При хранении аккумулятора при температуре в 50°C деградация емкость идет практически в 6 раз быстрее.
Естественно более низкие температуры лучше для хранения, но в быту это означает специальное охлаждение. Так как температура воздуха в квартире, как правило, 20-25°C, то и хранение скорее всего будет при такой температуре.

Уровень заряда

Как показали испытания, чем меньше заряд тем медленнее идет саморазряд аккумулятора. Измерялась емкость аккумулятора, какой бы она была при его дальнейшем использовании после длительного хранения. Наилучший результат показали аккумуляторы, которые хранились с зарядом близким к нулю.
В целом хорошие результаты показали аккумуляторы, которые хранились не более чем с 60% уровнем заряда на момент начала хранения. Цифры отличаются от приведенных ниже для 100% заряда в худшую сторону (т.е. аккумулятор придет в негодность ранее, чем указано на рисунке):

Рисунок взят из статьи 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
В то же время цифры для малого заряда более оптимистичны (94% после года при температуре 40°C для хранения при SOC 40%).
Так как 10% заряд непрактичен, так как время работы при таком уровне весьма маленькое, хранить аккумуляторы оптимально при SOC 60%, что позволит применить его в любой момент и не скажется критично на сроке его службы.

Основные проблемы результатов экспериментов


Никто не проводил тесты, которые можно считать на 100% достоверными. Выборка, как правило, не превышает пары тысяч аккумуляторов из миллионов произведенных. Большинство исследователей не могут представить достоверные сравнительные анализы по причинам недостаточной выборки. Также результаты этих экспериментов зачастую являются конфиденциальной информацией. Так что данные рекомендации не обязательно подходят к вашему аккумулятору, но могут считаться оптимальными.

Итоги экспериментов


Оптимальная частота зарядки — при каждой возможности.
Оптимальные условия хранения — 20-25°C при 60% заряде аккумулятора.

Источники


1.Курс «Battery Storage Systems», RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer
2.Memory effect in a lithium-ion battery, Tsuyoshi Sasaki, Yoshio Ukyo, Petr Novák
@idiv
карма
–10,0
рейтинг 0,2
Инженер
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (15)

  • 0
    Один вопрос, на рисунках 2-3 во время зарядки аккумулятора(макроцикл) происходит… рекуперативное торможение(микроцикл)? Или как их(графики) расшифровывать, что представляют из себя микро и макро циклы?
    • +1
      Здесь циклы сделаны очень контрастные, 60% макро и 10% микро, для более четкого определения влияния. Ну и число циклов все же несколько с перебором, опять таки для более заметного влияния. На деле разница будет не настолько большая, например автобус на маршруте заряжается на остановках. Т.е. график примерно такой:

      Это автобус с таким режимом работы:
      00 минута — автобус с заряженным аккумулятором выезжает из автопарка.
      30 минута — первая остановка на 5 минут с подзарядкой аккумулятора на остановке.
      35 минута — поехали дальше.
      65 минута — следующая остановка с подзарядкой.
      80 минута — поехали дальше.
      85 минута — конечная, заряжаемся.
      98 минута — зарядка окончена, можем выезжать.

      Конкретно с мобильным тоже возможна эта ситуация, когда недозарядился телефон, надо срочно переместиться. На новом месте опять телефон на зарядку поставили. Так и получаются микроциклы на фоне крупных при зарядке.
  • –1
    Я очень редко меняю телефоны (за прошедшие лет 18 поменял штук 6). Выборкой это назвать нельзя, но… Первый был еще моторола-кирпич на заре развития сотовой связи в Питере. Естественно NiMH. Не будем о нем. А остальные, насколько я помню, уже литий-ионные. Всегда старался придерживаться такого же способа эксплуатации, как в статье и не допускать разряда ниже 20%. Так вот аккумы в телефонах я не менял ни разу. Были самсунги разные, а последний LG P500. Аппараты эксплуатировались активно по нескольку лет каждый, а потом еще отдавались в другие руки и продолжали работать там. Обычные (не смарты) держали с момента покупки неделю и по прошествии нескольких лет емкость падала очень незначительно (дней 5-6). LG P500 уже года 3. Емкость упала процентов на 10-15 судя по времени работы, но тут могу быть не совсем объективен т.к. покупался он с Android 2.3, а потом прошивался регулярно и сейчас 4.4.2.
    Вывод: согласен со статьей полностью.
    P.S. Еще один момент: если LG заряжать китайской зарядкой с током 0,3A до 100%, то заряд падает почему-то на 10-15% за пару часов. А если зарядить оригинальной LG с током 0,7A, то за те же пару часов 5-8%. Хотя не отслеживал специально, могут быть совпадения и разная активность, но такое ощущение есть.
    • 0
      По LG есть такая мысль.
      Так как предохранителя от перезарядки на аккумуляторе нет, то телефон определяет по току, когда нужно остановится. И для малого тока то значение тока, когда зарядка должна остановиться, проходит раньше. Т.е. фактически есть недозаряд, но по мнению телефона все правильно, он пишет 100%. Оттуда и появляются те несколько процентов разницы с оригинальной зарядкой.

      Те 5-8% оригинальной зарядки может быть как с целью недопущения перезаряда, так и ошибка в определении емкости (в статье представленное от 0,1 до 5% по результатам 20 батарей).
      • +1
        Li-Ion/Li-Po/LiFePo4 аккумуляторы заряжаются по алгоритму CC,CV (Constant Current, Constant Voltage), т.е. сначала идет зарядка максимально возможным(в зависимости от настроек контроллера заряда и возможностей источника питания) током, как напряжение доходит до 4.2, начинается зарядка током постоянного напряжения, т.е. поддерживается такой ток, чтобы напряжение не превышало 4.2V до опускания тока заряда до 0.
        Именно по-этому до ~90% емкости аккумуляторы заряжаются за малое время большими токами(большими, относительно токов в режиме CV) в режиме СС, а потом медленно добирают оставшиеся ~10% емкости постоянно уменьшающимся током при постоянном напряжении 4.2V.
        • 0
          Я имел ввиду, что у телефона с целью безопасности может или по времени или еще каким-то образом установлена отсечка, после которой в режиме постоянного напряжения зарядка больше не осуществляется (я думаю, там может не только по току но и, например, по изменению тока быть предохранитель). И для нестандартного зарядного эта величина не позволяет зарядить полностью батарею.

          P.S. Так вроде все литий-ионные заряжаются, по CC-CV. Литий-кобальт точно так.
          • +1
            Не так давно было описание процесса зарядки айфонов(а может так и у многих телефонов, кто его знает, но информация была о них) — при достижении 100% заряда аккумулятора, процесс зарядки отключается до понижения уровня заряда до 95%(при этом, индикатор отображает те же 100% в телефоне), после чего снова идет дозарядся до 100% и по циклу.
            Так вот, из-за низкого тока зарядки, процесс дозаряда до 100% длится дольше и больше шанс взять телефон, имеющий
            • 0
              Так вот, из-за низкого тока зарядки, процесс дозаряда до 100% длится дольше и больше шанс взять телефон, имеющий не 100% уровень заряда, хотя телефон будет так же показывать 100% уровень.*
    • 0
      Хм… странно, всегда с телефонами придерживался режима: заряд до 100%, разряд до сообщения телефона с просьбой зарядки. Аккумуляторы работают долго, по крайней мере дольше чем у знакомых, которые заряжают/разряжают без никакой системы.
  • +1
    Было бы очень приятно видеть в конце подобных статей выжимку аля «Идеально хранить при температуре 20-25, заряжать при любой возможности и долгое хранение делать при 60 градусах Ц»
    • 0
      Я так понял из статьи что долгое хранение при 60 градусах Ц лучше не делать.
      • 0
        В смысле 60% заряда. Был сонный уже.
    • 0
      Добавил. Спасибо за совет.
  • +1
    у нетбуков Samsung есть под виндой утилита, увеличивающая срок эксплуатации аккума. Она устанавливает верхний порог зарядки 80%. Уже 4 года пользую. Не заметил значительного падения ёмкости. Работает в цикле заряд-разряд постоянно. Включается в зарядку поле 10% остатка
    • 0
      Все верно. Получается 70% DOD что дает примерно в 1,5 больший ресурс по зарядкам-разрядкам, что вполне неплохой показатель по отношению длительности работы к ресурсу батареи. Теоретическое время наработки аккумулятора до конца срока службы ~ 44000 часов или больше 5 лет круглосуточной работы (принимая во внимание неплохое качество аккумуляторов Самсунга) до падения полной емкости батареи до 80% от начального уровня.

      А такая цифра, 80% максимум, является наиболее щадящей. Для электроавтобусов, в связи с тем что у них циклы весьма частые, рассматривается именно что работа в режиме 80-40, что дает приблизительно до 9 лет работы.

      Только один момент — падение емкости все же есть или изменилось потребление? Просто при 80% можно было бы считать емкость от начальной (все равно до 100 не заряжает), а программа, если емкость и вправду уменьшилась, похоже считает от текущей полной емкости, т.е. 80% сейчас и 4 года назад вовсе не одно и то же.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.