Зарядка батарей литиевых: Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Содержание

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Li-ion аккумуляторы в последнее время широко используются в самых различных устройствах – от электрических автомобилей до смартфонов и игрушек. Учитывая, что такие элементы питания чрезвычайно требовательны к уровню напряжения при зарядке, важно использовать штатные зарядные устройства. Если вы хотите, чтобы любой аккумулятор служил вам максимально долго, требуется придерживаться при его зарядке нескольких простых правил. Каковы эти правила для литий-ионных аккумуляторов, мы и расскажем в этой статье.

В первую очередь важно понимать, что современные литий-ионные аккумуляторы существенно отличаются от более распространенных ранее кадмиевых или литий-металлогидридных элементов питания – как нюансами самого процесса подзарядки, так и особенностями эксплуатации и хранения. А значит следует забыть те рекомендации, которые были усвоены Вами ранее относительно предшественников Li-ion аккумуляторов, и усвоить новые. 

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов.

Если речь идет о новом аккумуляторе, перед использованием в любом устройстве его нужно зарядить. Что касается аккумуляторов данного типа для электровелосипедов и других средств электротранспорта, то самой распространенной ошибкой при первой эксплуатации аккумуляторов является их использование непосредственно после покупки. Начинающие драйверы часто считают, что АКБ продаются в заряженном виде. Это действительно так – производители заряжают аккумуляторы, однако только наполовину, и без первой полноценной зарядки емкость и срок службы АКБ снижается.

Другой важный момент – не рекомендуется доводить аккумулятор до полного разряда. После каждой даже самой непродолжительной поездки на электросамокате или на электровелосипеде аккумулятор следует подзарядить. Если Вы усвоите данное правило, то сможете значительно увеличить срок жизни АКБ. Таким образом, сразу же после разрядки литий-ионного аккумулятора его необходимо поставить на подзарядку.

К сожалению, часто неквалифицированные продавцы рекомендуют покупателям довести аккумулятор до полного разряда после первого заряда. Категорически не рекомендуем делать это – так вы рискуете столкнуться с внезапным выходом новой АКБ из строя. Возможно, нерадивые продавцы дают такую рекомендацию из корыстных побуждений -ведь когда аккумулятор выйдет из строя вам потребуется купить новый.

Литий-ионные АКБ очень чувствительны к высоким температурам, поэтому старайтесь не допускать их чрезмерного нагрева. При эксплуатации аккумулятора при температуре в пределах +25 градусов достигается максимальный ресурс и наибольшая отдача тока. Поэтому следите за тем, чтобы аккумулятор не оставался долго под солнцем и избегайте хранить АКБ в помещении, где температура выше указанного максимума.

В том случае, если литий-ионный аккумулятор продолжительное время находился на холоде, перед зарядкой его необходимо прогреть до комнатной температуры. Заряжать АКБ сразу после нахождения на морозе нельзя. Такие резкие температурные колебания могут нанести аккумулятору непоправимый вред.

И последняя важная рекомендация: при длительном перерыве в эксплуатации аккумулятор лучше хранить в холодном месте – зимой, к примеру, на неотапливаемом балконе или в гараже. Это продлит срок его жизни.

Сам процесс зарядки Li-ion аккумулятора не представляет сложности – необходимо сначала присоединить его к штатному устройству для зарядки, а потом соединить устройство с электрической сетью. После того, как полный заряд будет получен, просто отключите аккумулятор от ЗУ.

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы сейчас чрезвычайно популярны. Больше 80% всех бытовых аккумуляторов являются литий-ионными. И для того, чтобы эти аккумуляторы служили верой и правдой долгое время, очень важно правильно с ними обращаться и правильно заряжать.

Как правило, литий-ионный аккумулятор представляет собой дуэт – собственно, саму аккумуляторную банку и присоединенную к ней плату защиты. Плата защиты предохраняет аккумулятор от перезарядки или чрезмерной разрядки. Также она ограничивает максимальный ток аккумулятора – следит, чтобы не было короткого замыкания. Все это очень важно, поскольку литий-ионный аккумулятор может очень драматично реагировать на перезарядку или чрезмерный ток (а еще на перегрев) – банально взрываться, нанося совершенно небанальные повреждения.

Тем не менее, вполне могут поставляться аккумуляторы без защиты – только банки. В этом случае подразумевается, что контроль степени заряда и тока будет осуществляться дополнительной электроникой, о которой должен позаботиться сам потребитель.

Литий-ионные аккумуляторы с защитой и без нее

Необходимо всегда обращать внимание на наличие защитной электроники при использовании литий-ионных аккумуляторов. Без схем защиты ни заряжать, ни использовать эти аккумуляторы нельзя! Поскольку в нештатных ситуациях химические процессы в аккумуляторах могут начать протекать чрезмерно бурно. Это может привести к разрыву аккумуляторной банки, воспламенению выделяющихся газов, электролита и, в итоге, к нехилому взрыву с пламенем и разбрасыванием вокруг горящих частей аккумулятора.

Сам процесс правильного заряда аккумулятора – это контролируемый и управляемый процесс. Вначале разряженный аккумулятор заряжается постоянным током 0.2 – 1 С (С – это емкость аккумулятора в ампер/часах). При достижении напряжения 4.0-4.1В (в зависимости от рекомендаций производителя) зарядка продолжается при постоянном напряжении до достижения 4.2В на элемент. Допустимое отклонение напряжения составляет всего +-0.05В. Для соблюдения этих режимов, безусловно, необходима соответствующая электроника. Как правило, это схемы, собранные на специализированных микросхемах. Хороший выбор – для заряда аккумуляторов использовать специализированные зарядные устройства. Также можно собрать зарядное устройство самостоятельно.

Литий-полимерные аккумуляторы заряжаются также, как и литий-ионные, поскольку по природе своей они очень похожи. В чем их основное различие - читайте в статье "Литий-полимерный аккумулятор - отличие от литий-ионного".

Лучший вариант – заряжать каждый аккумулятор отдельно. Кроме зарядных устройств, можно приобрести готовые платы-контроллеры для зарядки отдельных аккумуляторов. Например, на базе популярной микросхемы TP4056.

Зарядка одного литий-ионного аккумулятора

Миниатюрная плата (около 20х30 мм) позволяет заряжать литий-ионный аккумулятор от источника постоянного напряжения до 8В. Подойдет, в том числе, компьютерный USB. Два индикатора отображают ход заряда. Плата сама остановит зарядку при достижении напряжения 4.2В – с ее помощью можно заряжать и аккумуляторы без платы защиты.

Если используется несколько аккумуляторов одновременно, то возможны варианты. Для увеличения емкости при том же выходном напряжении батареи соединяют параллельно – плюс к плюсу, минус к минусу. Например, если взять два аккумулятора емкостью 2500 мАh и соединить их параллельно, то получится батарея емкостью 5000 mAh с выходным напряжением 4.2В. Заряжать такую батарею нужно также, как и отдельный аккумулятор, только это займет в 2 раза больше времени.

Если нужно повысить напряжение при сохранении емкости, аккумуляторы соединяют последовательно. Те же две банки из предыдущего примера, соединенные последовательно, дадут батарею с напряжением 8.4В и емкостью 2500mAh.

Ток зарядки последовательно соединенных аккумуляторов должен быть такой же, как и при зарядке одного аккумулятора, а напряжение соответствовать напряжению всей батареи – 4.2В умножить на количество последовательно соединенных элементов.

Когда аккумуляторы используются в связке, очень важно подбирать совершенно одинаковые банки – одного производителя и модели, одной степени свежести. В идеале – из одной партии. Дело в том, что разные аккумуляторы могут иметь немного отличающиеся емкости, напряжение и другие параметры. Соответственно, работать они будут неравномерно и быстрее выйдут из строя.

Правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, соединенные последовательно, необходимо устройствами, которые имеют систему балансировки заряда каждого элемента. Строго говоря, и разряжаться такие батареи должны через аналогичные системы балансировки. Суть ее работы состоит в том, чтобы следить за параметрами каждого аккумулятора и останавливать зарядку всей батареи, если один из аккумуляторов будет уже заряжен полностью. Аналогично при разряде: если один из аккумуляторов полностью разрядился – отключается вся батарея. Это позволит избежать перезаряда/переразряда аккумуляторов и продлит срок их службы.

Контроллер заряда/разряда двух последовательно соединенных аккумуляторов может выглядеть так:

Зарядка двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Контакты P+ и P- платы служат как для подачи напряжения при зарядке, так и при снятии тока при разрядке батареи. Плата может использоваться с аккумуляторами без плат защиты.

Для зарядки трех последовательно соединенных аккумуляторов может подойти такая схема:

Зарядка трех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Так же как и в предыдущем варианте, контакты Р+ и Р- используются как для подачи напряжения зарядки, так и для снятия питания при работе от аккумуляторов. Плата имеет систему балансировки, защиту от перезаряда/разряда и защиту от короткого замыкания. И также может использоваться с незащищенными аккумуляторами.

Похожая плата зарядки/разрядки имеется и для четырех последовательно соединенных аккумуляторов.

Зарядка четырех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Большее количество последовательно соединенных аккумуляторов встречается достаточно редко. Чаще для увеличения мощности используют последовательно соединенные пары параллельно соединенных аккумуляторов. Например, батареи ноутбуков могут содержать три или четыре пары аккумуляторов.

Правильная зарядка аккумуляторов – совершенно необходимое условие для того, чтобы использование литий-ионных аккумуляторов было долговременным и эффективным. Уделите этому достойное внимание и аккумуляторы будут служить вам верой и правдой.

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Речь пойдет именно о литий-ионных аккумуляторах, поскольку в большинстве современных мобильных гаджетов: в планшетах, в ноутбуках, в смартфонах и т. д. - установлены именно литиевые аккумуляторы. И если раньше можно было часто встретить никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые, то сегодня массово применяются литиевые.

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало, что и будет раскрыто далее по тексту. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литиевый аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус. Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий-ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий-ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам.

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно - повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

5. Иметь резервный аккумулятор.

Ранее ЭлектроВести писали, что ученые представили новый катодный материал для металл-ионных батарей. Об этом говорится в работе исследователей из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.

По материалам: electrik.info.

Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Мельничук О. В. МеШch.uk O. V

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Фетисов В. С. Fetisov V S.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.355.9

ОСОБЕННОСТИ ЗАРЯДА И РАЗРЯДА ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМИ ПРОЦЕССАМИ

Статья представляет собой обзор методов и средств организации правильной работы литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей, обеспечивающих их эффективную работу и длительный срок службы.

Рассмотрен классический алгоритм зарядки отдельной ячейки такого аккумулятора, включающий в себя три последовательные фазы: предварительную зарядку малым током для случая, если ячейка претерпела до этого глубокий разряд; зарядку постоянным током до уровня 4,2 В и зарядку постоянным напряжением при убывающем до минимума токе.

Описаны различные устройства для работы с литиевыми аккумуляторами: защитные контроллеры, которые предохраняют аккумулятор от опасных режимов работы в течение всего жизненного цикла и которые обычно встраивают в корпус аккумулятора; контроллеры зарядки, которые могут иметь различные схемы и алгоритмы работы, в частности для работы с отключением нагрузки при зарядке или без отключения. Описаны соответствующие специализированные микросхемы.

Особое внимание уделено обеспечению процессов заряда-разряда многосекционных литиевых батарей, в которых ячейки соединены последовательно. В этом случае важно поддерживать одинаковый уровень заряда всех ячеек во всех режимах работы. Для этого предназначены специальные устройства, выполняющие балансировку ячеек. Балансировка может быть пассивной или активной.

Пассивная балансировка заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных бай-пасных цепей, рассеивающих мощность. Отмечено, что такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла - это главный недостаток пассивного метода.

В активном методе балансировки для передачи энергии от более заряженных ячеек к менее заряженным используются реактивные элементы индуктивности, емкости или трансформаторы, потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный, однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты.

В качестве примеров в статье приводятся описания применения конкретных типов микросхем различных производителей: Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics и др.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, литий-ионный аккумулятор, заряд, разряд, зарядное устройство, защитный контроллер, встраиваемый контроллер, пассивная балансировка, активная балансировка, многосекционная аккумуляторная батарея.

This paper is a review of methods and devices for arrangement of right operation of Li-ion or Li-polymer rechargeable batteries that provides additional duration and long life time of batteries.

SOME FEATURES OF CHARGING AND DISCHARGING

OF LITHIUM RECHARGEABLE BATTERIES AND CORRESPONDING UP-TO-DATE TECHNOLOGIES

OF CONTROL

The traditional algorithm of charging for single Li-ion cell is considered. Such algorithm includes 3 consecutive steps: preventive charging by small current if the cell was deeply discharged, charging by fixed current up to the level of the cell voltage 4.2 V, and charging by the fixed voltage at the descending current.

Various devices for the service of lithium batteries are described, such as PCM - embedded into the battery protection circuit module that protects a battery from dangerous operational modes during the whole life cycle; charging controllers that may be intended to provide the battery charging with connected or disconnected load. Corresponding specialized integrated circuits are described.

Specially the charging-discharging processes in multi cell batteries with series connection of cells are considered. It is important for such batteries to keep equal voltages of all cells in all modes of operation. Balancing of cells is implemented by special devices. Balancing may be passive or active.

Passive balancing is equalizing of cell voltages by means of shunt resistors dissipating active power. The main disadvantage of passive balancing is that dissipated energy transforms into useless heat. Such method is recommended for inexpensive devices.

Active balancing method is based on energy pumping from cells with redundant charge to cells with insufficient charge by means of reactive elements such as coils, capacitors, transformer. In such case no active energy losses. So active method is more effective than passive one though it requires to use more expensive components.

The paper contains many application examples for mentioned types of integrated circuits of such producers as Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, STMicroelectronics and others.

Key words: rechargeable battery, Li-ion accumulator, charging, discharging, charging unit, protection circuit module, embedded controller, passive balancing, active balancing, multi cell battery.

Введение

В настоящее время очень широкое применение в различных областях техники находят аккумуляторы на основе лития [1, 2]. Различные типы таких аккумуляторов используются почти повсеместно - от сотовых телефонов и мобильной компьютерной техники до мощных источников питания транспортных средств, таких как электромобили, беспилотные летательные и подводные аппараты [3]. Наибольшее распространение получили так называемые литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы (это традиционно сложившиеся названия; хотя по сути все литиевые аккумуляторы являются литий-ионными, сейчас же под литий-ионными понимают обычно аккумуляторы ранних разработок с жидким или гелевым электролитом, другие названия связаны с материалом или исполнением электролита или электрода) [4]. Кроме двух названных типов известно большое количество и других аккумуляторов на основе лития (например, для применения на транспорте серийно выпускаются литий-железофосфатные аккумуляторы [5]), но именно эти два подкласса по масштабам их производства значительно превосходят все остальные и имеют много общего как по выходным параметрам, так и в процессах заряда и разряда. Поэтому далее под кратким названием «литиевые» будем подразумевать именно эти две разновидности, хотя многое из того, что предоставляет современная техника для обеспечения качественного заряда-разряда аккумуляторов, применимо и для других типов.ч/кг у основных конкурентов - никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов), выдерживают большие импульсные разрядные токи - 20-40С, обладают низким саморазрядом (1%/мес. против 20%/мес. у никель-кадмиевых). Серьезным преимуществом литиевых аккумуляторов является отсутствие «эффекта памяти», а также высокое значение электро-

движущей силы (ЭДС) единичной ячейки (3,6 В против 1,2 В у никель-кадмиевых).

Однако есть и некоторые технические проблемы, которыми сопровождается эксплуатация литиевых аккумуляторов. В первую очередь это относится к чувствительности этих аккумуляторов к глубокому разряду и чрезмерному перезаряду. Недопустим также перегрев или механические повреждения аккумуляторных ячеек. Невыполнение этих условий иногда приводит к возгоранию или взрыву аккумуляторов. Хотя в последние годы появились отдельные типы литиевых аккумуляторов, обладающих повышенной стойкостью к механическим повреждениям (например, литий-серные аккумуляторы [6]), они еще не выпускаются серийно, и проблема пока сохраняется.

Во многих случаях источники питания представляют собой не единичные аккумуляторные ячейки, а наборы таких ячеек (секций), соединенных последовательно в батареи, имеющие необходимое напряжение. В наибольших масштабах налажено массовое производство многосекционных батарей, имеющих от 2 до 6 секций. Для отдельных применений выпускаются многосекционные батареи, имеющие несколько десятков секций.

Особенности электрохимических процессов, протекающих в аккумуляторных ячейках, приводят к тому, что ячейки со временем начинают отличаться друг от друга по энергетической емкости и внутреннему сопротивлению, что приводит к разбалансу -неравномерному распределению напряжения по секциям. Впоследствии, если не принимать специальных мер, это может привести как минимум к снижению эффективности использования батареи (недоиспользования ее емкости), а в худшем случае к глубокому разряду или перезаряду отдельных секций, их перегреву и выходу из строя.ч.

Устройства контроля и управления процессами заряда-разряда в АКБ построены, как правило, на базе микроконтроллеров и специализированных микросхем. Эти устройства могут быть встроены в саму АКБ, либо во внешние сервисные блоки, например, в зарядные устройства. В автономных компьютерах управление зарядом-разрядом АКБ возлагается на специальную подсистему управления питанием.

1. Особенности процессов заряда-разряда отдельной ячейки литий-ионного аккумулятора. Специализированные встраиваемые контроллеры

Рассмотрим типовой алгоритм заряда ячейки литий-ионного аккумулятора (рисунок 1).

Условно весь процесс разбит на 3 фазы. Первая фаза, так называемый предварительный заряд, включается не всегда, а только в тех случаях, когда аккумулятор сильно разряжен. Если напряжение ячейки ниже 2,8 В, то ее нельзя сразу заряжать номинальным током заряда I : это крайне отрицательно скажется на сроке службы аккумулятора. Поэтому ячейку заряжают сначала малым током примерно до 3,0 В, и только потом - номинальным током. Во второй фазе зарядное устройство работает как источник постоянного тока. При этом напряжение аккумулятора постепенно растет до 4,2 В. Аккумулятор на данный момент заряжен примерно на 70 % своей емкости. Чтобы зарядить ячейку до значений емкости, близких к 100 %, необходимо перейти к третьей фазе: здесь зарядное устройство работает как источник постоянного напряжения. На этом этапе к ячейке приложено постоянное напряжение 4,2 В, а зарядный ток уменьшается от максимума до некоторого заранее заданного минимального значения. В тот момент, когда значение тока уменьшается до этого предела, заряд батареи считается законченным и процесс завершается.

Рассмотренный алгоритм заряда реализован во многих микросхемах, предназначенных для зарядных устройств односекционных литиевых батарей. Для примера рассмотрим контроллер заряда STC4054 компании ЗТМюгоексйотсв Г71.

и.в+

4.2

Предзаряд

0.1-1,

2 фаза: Постоянный ток 3 фаза: Постоянное напряжение

Рисунок 1. Типовой алгоритм заряда ячейки литий-ионного аккумулятора

Рисунок 2. Схема включения STC4054

Микросхема STC4054 выполнена в миниатюрном корпусе типа TSOT23-5L. Это позволяет использовать ее в мобильных устройствах с достаточно жесткими требованиями по массе и габаритам. Схема включения STC4054 представлены на рисунке 2.

Как видим, для включения требуется минимальное количество внешних компонентов — не требуются даже внешние MOSFET-транзисторы, вся обвязка ограничивается фильтрующим конденсатором на входе, программирующим резистором (программирует максимальное значение тока заряда) и индикаторным светодиодом. Кроме уже описанного алгоритма микросхема выполняет защиту от перенапряжения и перегрева. Если значение входного напряжения превышает определенный предел (в частности, 7,2 В) или если температура корпуса превысит величину 120 °С, то зарядное устройство отключается, защищая себя и аккумулятор. Реализована также защита от низкого входного напряжения — если входное напряжение опустилось ниже определенного уровня, то зарядное устройство также отключится.

Устройства, подобные описанному, предназначены, в основном, для построения отдельных зарядных устройств для АКБ, которые на время зарядки отделены от нагрузки. Если же это не так, то часть зарядного тока будет утекать в нагрузку, что в первой фазе зарядки (если аккумулятор сильно разряжен) может замедлить процесс зарядки или вовсе сделать его невозможным. Для избежания таких проблем необходимо предусматривать в схемах зарядки ключевые элементы, которые разделяют пути протекания токов зарядки и нагрузки. Такая технология используется при построении микросхем контроллеров многими фирмами [8]. Например, компания Maxim называет такую технологию SPS — Smart Power Selector, которая используется в микросхемах MAX8844, MAX8819, MAX8877 и некоторых других. Фрагмент схемы SPS приведен на рисунке 3. Ее основное назначение — обеспечивать бесперебойное питание нагрузки. Транзистор VT1 или полностью открыт, или используется как линейный регулятор выходного напряжения Vout (например, 4.4 В), т.е. используется для прямого прохождения тока от источника V. к нагрузке. Транзистор VT2 подключает к нагрузке аккумулятор. Если ток в нагрузке возрастает, и источник V. не может его поддерживать, то с помощью VT2 ограничивается ток зарядки аккумулятора.

Рисунок 3. Структура для раздельного управления токами зарядки и нагрузки

Несколько иное назначение имеют так называемые защитные контроллеры (PCM-Protection Circuit Module, или PCB-Protection Circuit Board), миниатюрные платы которых встраивают непосредственно в корпус аккумулятора (рисунок 4).

Рисунок 4. Ячейка аккумулятора с защитным контроллером

Они также основаны на специализированных микросхемах. В качестве примера приведем микросхему DW01-P производства фирмы Fortune Semiconductor (Тайвань) [9] (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема включения м/с DW01-P и плата контроллера на ее основе

Микросхема с помощью двух внешних MOSFET-транзисторов производит контроль и управление в ситуациях переразряда (OD-Overdischarge) и переза-

ряда (OC-Overcharge). Если напряжение на ячейке упадет ниже 2,5 В, то контроллер закрывает транзистор FET1 (но заряд при этом возможен через встроенный диод), а если оно будет выше 4,2 В, то закроется транзистор FET2 (но разряд при этом возможен через встроенный диод этого транзистора). Кроме того, контроллер закрывает FET1 при чрезмерном токе разряда. Величина тока разряда, а также наличие зарядного устройства определяется по падению напряжения на резисторе R2. Таким образом предотвращаются аварийные режимы работы. К клеммам BATT+, BATT- подключают нагрузку или зарядное устройство. Транзисторы FET1, FET2 входят в состав сборки TXY8205A [10].

Микросхемы PCM, подобные описанной, сейчас массово выпускают большое количество фирм. Причем среди них есть и контроллеры, предназначенные для защиты ячеек многосекционных батарей. Так, компания Seiko Instruments (Япония) выпускает целую линейку микросхем для PCM-контроллеров (S-8205, S-8253 и др.), ориентированных на различное количество секций [11]. От вышеописанных односекцион-ных PCM-контроллеров они отличаются только более сложными входными цепями для мониторинга каждой секции аккумулятора, но реакция на аварийные режимы для любой секции одна — отключается (от зарядного источника или нагрузки) вся батарея целиком.

2. Обеспечение заряда-разряда многосекционных литиевых батарей

Производители литиевых АКБ обычно комплектуют батареи из специально подбираемых близких по параметрам ячеек. Однако небольшие отличия в параметрах отдельных ячеек остаются, со временем они увеличиваются.

Во многих защитных и зарядных контроллерах полный заряд АКБ определяется по суммарному напряжению всей батареи последовательно включенных ячеек. Поэтому напряжение заряда отдельных ячеек может находиться в широких пределах, однако оно не может превышать порогового значения напряжения, при котором включается защита от перезаряда (обычно 4,25 В). Однако в каком-нибудь слабом звене — ячейке с малой емкостью или большим внутренним сопротивлением — напряжение может быть выше, чем на остальных полностью заряженных ячейках. Высокое напряжение такой ячейки после завершения заряда говорит об ее ускоренной деградации. При разряде на нагрузку такая ячейка будет быстрее других терять напряжение. Таким образом, при заряде на слабой ячейке может сработать защита от перенапряжения, в то время как остальные ячейки батареи еще не будут заряжены полностью. Это приведет к недоиспользованию ресурсов АКБ. То есть дисбаланс ячеек уменьшает время работы устройств без подзарядки и срок службы батареи.

Существуют два метода балансировки батарей — пассивный и активный [12]. Пассивный метод осуществляется за счет подключения в нужные моменты времени разрядных резисторов, шунтирующих

ячейки, а активный — за счет перетоков энергии между ячейками через реактивные элементы.

Известны и другие технические решения. Например, зарядку можно производить от одного источника после перекоммутации ячеек с последовательной схемы на параллельную, в которой ток заряда каждой ячейки можно регулировать отдельно. Возможно также использование зарядного устройства с гальваническими развязанными выходами для заряда всех последовательно соединенных ячеек, при этом ячейки подключаются к своему источнику непосредственно или через управляемые ключи [13]. Однако такие решения не получили широкого распространения из-за относительной сложности реализации.

Пассивная балансировка

Этот метод балансировки заключается в выравнивании напряжения ячеек посредством резисторных байпасных цепей, рассеивающих мощность. Эти цепочки, параллельные ячейкам, могут быть интегрированы в корпус АКБ или помещаться во внешнем устройстве. Такой метод лучше использовать в недорогих устройствах. Практически вся избыточная энергия от ячеек с большим зарядом рассеивается в виде тепла — это главный недостаток пассивного метода, т.к. он сокращает время работы батарей без подзарядки.

Для реализации пассивного метода балансировки различными компаниями выпускается большое количество микросхем разных типов. Например, микросхема bq77PL900 от Texas Instruments [14], обеспечивающая зарядку с балансировкой и защиту АКБ с 5—10 последовательно включенными ячейками, широко используется в различных автономных устройствах. Сравнивая напряжение ячеек с установленными порогами, микросхема при необходимости включает режим балансировки. На рисунке 6 показан принцип действия. Если напряжение какой-либо ячейки превышает заданный порог, заряд прекращается, подключается соответствующая байпасная цепочка. Заряд не возобновляется до тех пор, пока напряжение ячейки не снизится ниже порогового.

Очевидно, что некоторая разница в напряжениях секций (AVend) при описанном методе может остаться и после балансировки. Это вызвано конечным значением напряжения гистерезиса AVOVH , которое обязательно имеет место при регулировке. Кроме того, возможна неполная балансировка из-за разности внутреннего сопротивления ячеек. Оно вносит свой вклад в разброс напряжений при заряде. Микросхема защиты не может определить, чем вызвана разбалан-сировка напряжений: разной емкостью ячеек или различием их внутренних сопротивлений. Поэтому при таком типе пассивной балансировки нет гарантии, что все ячейки окажутся на 100 % заряженными. Несколько лучший результат балансировки обеспечивает микросхема bq2084 той же фирмы. Чтобы минимизировать эффект разброса внутренних сопротивлений bq2084 осуществляет балансировку ближе к окончанию процесса заряда, когда величина зарядного тока невелика. Другое преимущество bq2084 — измерение и анализ напряжения всех ячеек, входящих в АКБ. Однако в любом случае этот метод применим лишь в режиме зарядки.

Микросхемы фирмы Texas Instruments семейства bq20zxx используют для определения уровня заряда свою особую технологию, названную Impedance Track, базирующуюся на определении напряжения и емкости ячейки. В этой технологии для каждой ячейки вычисляется заряд QNEED, необходимый для достижения полностью заряженного состояния, после чего находится разница AQ между QNEED всех ячеек. Затем микросхема включает силовые ключи, через которые происходит балансировка ячейки до состояния AQ=0. Вследствие того, что разность внутренних сопротивлений ячеек не оказывает влияния на этот метод, он может применяться в любое время: и при зарядке, и при разрядке АКБ.Vovh - гистерезис регулирования напряжения на ячейке

Рисунок 6. Действие пассивной балансировки

потери энергии в которых незначительны. Поэтому активный метод гораздо более эффективен, нежели пассивный. Однако при этом приходится использовать более дорогие компоненты — катушки индуктивности, трансформаторы, конденсаторы. Этот метод предпочтителен в случаях, когда требуется обеспечить максимальное время работы устройства без подзарядки.

В качестве примера микросхемы, реализующей активный метод балансировки, рассмотрим специализированный микроконтроллер от Texas Instruments bq78PL114, произведенный по фирменной технологии PowerPump, в которой применяются катушки индуктивности для передачи энергии. Технология PowerPump использует пару из n-канального и p-канального MOSFET-транзисторов и катушку индуктивности, которая расположена между парой секций АКБ. Схема показана на рисунке 7.

MOSFET и катушка образуют промежуточную вольтдобавочную цепь. Если bq78PL114 определяет, что верхней секции нужно передать энергию в нижнюю, на выводе P3S появляется импульсный сигнал (частота 200 кГц, скважность 30 %), разрешающий эту передачу. Когда ключ Q1 открыт, энергия из верхней секции запасается в катушке. Когда ключ Р1 закрывается, энергия, запасенная в катушке, через обратный диод ключа Р2 поступает в нижнюю секцию. Потери энергии при этом незначительны.

При больших токах балансировки технология PowerPump гораздо более эффективна, чем обычная пассивная балансировка с внутренними байпасными ключами. Так, в случае балансировки АКБ ноутбука (токи балансировки 25—50 мА) можно достичь эффективности балансировки в 12—20 раз лучшей, чем при пассивном методе. При типичных значениях разбалансировки (менее чем 5 %) баланса можно

Mio

Кривая напряжения В переключающем узле

! i. !

1 I

I MV J 1

J ! 1 _

Ш.

Q1 OffTJn"7" Ql Off Время, 1 мкеУдел

Рисунок 7. Перекачка энергии между секциями с помощью технологии PowerPump

Рисунок 8. Схема включения LTC3300-1

достичь за 1—2 цикла. Кроме того, технология PowerPump имеет и другие преимущества: балансировка может происходить при любом режиме работы — при заряде, разряде, на холостом ходу и даже тогда, когда секция, отдающая энергию, имеет меньшее напряжение, чем секция, получающая энергию.

В качестве другого примера современного решения для реализации активной балансировки рассмотрим микросхему LTC3300-1 фирмы Linear Technology

[15] (рисунок 8). Ее особенность состоит в применении трансформаторов в качестве внешних перераспределяющих элементов. Она способна перераспределять энергию в батарее, содержащей до 6 последовательно соединенных ячеек литиевых аккумуляторов. При этом имеется возможность построения системы балансировки для высоковольтных батарей (с напряжением до 1000 В) на основе наращиваемого количества микросхем LTC3300-1, каждая из которых обслуживает свою группу ячеек. Применение этой микросхемы возможно как совместно с микросхемой контроля литиевых батарей LTC6803-1 этой же фирмы

[16], так и с другими устройствами контроля, в том числе и спроектированными самим разработчиком батареи. Эта легкость наращивания системы обуслов-

Список литературы

1. Learning the basics about batteries / Cadex Electronics Inc. — URL: http://http://batteryuniversity. com/learn/article/lithium_based_batteries.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / ed. by G.-A. Nazri, G. Pistoia(s.). — Springer, 2009.

3. Фетисов В.С., Тагиров М.И., Мухаметзянова А.И. Подзарядка электрических беспилотных летательных аппаратов: обзор существующих разработок и перспективных решений // Авиакосмическое приборостроение. — 2013. — № 11. — С. 7-26.

4. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Литий-ионные аккумуляторы. — Красноярск: Платина, 2002. — 268 с.

5. Rao M.C. Novel Cathode Materials for Rechargeable Batteries // International Journal of Science and Research (IJSR), Proceedings of National Conference on Advanced Technology Oriented Materials (AT0M-2014), 8-9th Dec., 2014, Rajahmundry. — Andhra Pradesh, India, 2014. — P. 11-13. — URL: http://www.ijsr.net/conf/ AT0M2014/AT0M2014_03.pdf.

6. Kolosnitsyn V.S., Karaseva E.V. Lithium-Sulfur Batteries: Problems and Solutions // Russian Journal of Electrochemistry. — 2008. — Vol. 44. — No. 5. — Р. 506509. — URL: https://www.researchgate.net/publication /225512575_Lithium-sulfur_batteries_Problems_and_ solutions.

7. Никитин А. Все для литиевых аккумуляторов: микросхемы STM для зарядных устройств и мониторинга батарей // Новости электроники. — 2013. — № 2. — С. 21-26. — URL: http://www.compel.ru/lib/ ne/2013/2/4-vse-dlya-litievyih-akkumulyatorov-mikro-shemyi-stm-dlya-zaryadnyih-ustroystv-i-monitoringa-batarey.

лена наличием цифрового интерфейса управления, аппаратно совместимого с SPI, и простого протокола обмена информацией. Подбирая для каждого конкретного применения внешние компоненты с различными характеристиками можно соответствующим образом варьировать характеристики разрабатываемой системы балансировки. В частности, применив мощные MOSFET-транзисторы, можно повысить ток баланса до 10 А.

Заключение

Управление процессами заряда-разряда литиевых АКБ — довольно сложная и ответственная задача. Однако на сегодняшний день она во многом облегчена благодаря наличию на рынке большого количества разнообразных микросхем, модулей и готовых изделий, которые предназначены специально для решения указанной технической задачи.

Среди производителей специализированных интегральных микросхем для контроля и управления зарядом-разрядом литиевых АКБ заметно выделяются такие фирмы как Texas Instruments, Linear Technology, Maxim Integrated Products, STMicroelectronics, Seiko Instruments, NXP Semiconductors.

8. Охрименко В. Интеллектуальные контроллеры зарядки аккумуляторов // Электронные компоненты. — 2011. — № 6. — С. 85-88.

9. DW01-P: One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC. Техническая информация компании Fortune Semiconductor Corp. — 2014. — URL: http:// www.ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P-DS-15_ EN.pdf.

10. Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора. — URL: http:// go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora. html.

11. Lithium-ion Rechargeable Battery Protection ICs. Техническая информация компании Seiko Instruments Inc. — 2016. — URL: http://www.sii-ic.com/en/semicon/ products/power-management-ic/lithium-ion-battery-protection-ic.

12. Рыкованов А., Беляев С. Активные и пассивные системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей// Компоненты и технологии. — 2014. — № 3. — С. 121-124.

13. Груздев А.И. Концепция построения систем контроля и управления высокоэнергоемких литиевых аккумуляторных батарей // Электрохимическая энергетика. — 2005. — Т. 5. — № 2. — С. 90-93.

14. Сихуа Вэн. Выравнивание параметров секций аккумулятора обеспечивает дополнительное время работы и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей//Компоненты TI: Бюллетень научно-технической информации. — 2011. — Вып. 2 (30). — С. 44-48.

15. LTC3300-1. Datasheet. Техническая информация компании Linear Technology Corp. 2013. — URL: http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf.

16. LTC6803. Datasheet. Техническая информация компании Linear Technology Corp. 2011. — URL: http:// cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.

References

1. Learning the basics about batteries / Cadex Electronics Inc. — URL: http://http://batteryuniversity. com/learn/artide/lithium_based_batteries.

2. Lithium Batteries: Science and Technology / ed. by G.-A. Nazri, G. Pistoia(s.). — Springer, 2009.

3. Fetisov V.S., Tagirov M.I., Mukhametzyanova A.I. Podzaryadka elektricheskikh bespilotnykh letatel'nykh apparatov: obzor sushchestvuyushchikh razrabotok i perspektivnykh reshenii//Aviakosmicheskoe pribo-rostroenie. — 2013. — № 11. — S. 7-26.

4. Kedrinskii I.A., Yakovlev V.G. Litii-ionnye akkumulyatory. — Krasnoyarsk: Platina, 2002. — 268 s.

5. Rao M.C. Novel Cathode Materials for Rechargeable Batteries // International Journal of Science and Research (IJSR), Proceedings of National Conference on Advanced Technology Oriented Materials (AT0M-2014), 8-9th Dec., 2014, Rajahmundry. — Andhra Pradesh, India, 2014. — P. 11-13. — URL: http://www.ijsr.net/conf/ AT0M2014/AT0M2014_03.pdf.

6. Kolosnitsyn V.S., Karaseva E.V. Lithium-Sulfur Batteries: Problems and Solutions // Russian Journal of Electrochemistry. — 2008. — Vol. 44. — No. 5. — R. 506-509. — URL: https://www.researchgate.net/ publication/225512575_Lithium-sulfur_batteries_ Problems_and_solutions.

7. Nikitin A. Vse dlya litievykh akkumulyatorov: mikroskhemy STM dlya zaryadnykh ustroistv i monitoringa batarei // Novosti elektroniki. — 2013. — № 2. — S. 21-26. — URL: http://www.compel.ru/lib/ ne/2013/2/4-vse-dlya-litievyih-akkumulyatorov-mikroshemyi-stm-dlya-zaryadnyih-ustroystv-i-monitoringa-batarey.

8. Okhrimenko V. Intellektual'nye kontrollery zaryadki akkumulyatorov // Elektronnye komponenty. — 2011. — № 6. — S. 85-88.

9. DW01-P: One Cell Lithium-ion/Polymer Battery Protection IC. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Fortune Semiconductor Corp. — 2014. — URL: http://www. ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P-DS-15_EN.pdf.

10. Ustroistvo i printsip raboty zashchitnogo kontrollera Li-ion/polymer akkumulyatora. — URL: http://go-radio.ru/sxema-kontrollera-litiy-ionnogo-akkumulatora.html.

11. Lithium-ion Rechargeable Battery Protection ICs. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Seiko Instruments Inc. — 2016. — URL: http://www.sii-ic.com/en/semicon/ products/power-management-ic/lithium-ion-battery-protection-ic.

12. Rykovanov A., Belyaev S. Aktivnye i passivnye sistemy balansa Li-ion akkumulyatornykh batarei // Komponenty i tekhnologii. — 2014. — № 3. — S. 121-124.

13. Gruzdev A.I. Kontseptsiya postroeniya sistem kontrolya i upravleniya vysokoenergoemkikh litievykh akkumulyatornykh batarei // Elektrokhimicheskaya energetika. — 2005. — T. 5. — № 2. — S. 90-93.

14. Sikhua Ven. Vyravnivanie parametrov sektsii akkumulyatora obespechivaet dopolnitel'noe vremya raboty i uvelichivaet srok sluzhby akkumulyatornykh batarei//Komponenty TI: Byulleten' nauchno-tekhnicheskoi informatsii. — 2011. — Vyp. 2 (30). — S. 44-48.

15. LTC3300-1. Datasheet. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Linear Technology Corp. 2013. — URL: http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/33001fb.pdf.

16. LTC6803. Datasheet. Tekhnicheskaya informatsiya kompanii Linear Technology Corp. 2011. — URL: http:// cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.

Как правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные

Как, по вашему мнению, правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы в гаджетах, электроинструментах и электромобилях?


  1. 1. Часто подключать к заряднику и заряжать понемногу;
  2. 2. Заряжать как можно реже и стараться на максимум до 100%.

Теме сто лет в обед и только ленивое околотехническое издание не написало заметку, как зарядить телефон, чтобы долго работал. Предлагаем поставить точку с опорой на научные факты.



Как правильно заряжать батарею — часто и понемногу или редко и на максимум?

С точки зрения бытового использования вы можете забыть об этом вопросе и делать так, как вам лично удобнее.


По плану производителей, важнее всего максимальный комфорт пользователя. То есть при эксплуатации не стоит даже задумываться о технических нюансах в течение всего запланированного срока службы — от двух до пяти лет в среднем для большинства моделей портативной электроники.


Гаджеты защищены от неправильной зарядки

С телефонами и электромобилями, ноутбуками и планшетами, смарт-часами и прочими гаджетами на литий-ионных и литий-полимерных батареях для пользователя не должно быть никакой разницы — часто заряжать или редко, понемногу или на максимум.

Мы в своё время пошли немного дальше и сделали узкоспециализированные рекомендации, как зарядить телефон, чтобы долго работал. Каждый совет имеет за собой инженерные исследования, опубликованные в Battery University и на прочих профессиональных профильных сайтах вроде All-Electronics.de или Energy University.

В этих рекомендациях есть уточнения, которые помогут немного продлить срок службы аккумуляторов и уберечь их от неполадок.



1. Новый телефон

Если вы только что купили свежую модель смартфона (или планшета — у них одинаковая химия в аккумуляторе), то уберечься от ошибок поможет специально проработанная инструкция. Главное запомнить, что любой новый гаджет на Li-Ion- и Li-Poly-батареях первым делом заряжают, а не разряжают.




2. Новый аккумулятор в телефоне

После замены аккумулятора правила немного отличаются, ведь процесс изготовления, тестирования и поставки элемента питания вне корпуса телефона уже другие и здесь тоже есть на что обратить внимание. Например, не лишним будет «потренировать» двумя-тремя циклами заряд-разряд.




3. Все гаджеты на Li-Ion и Li-Poly

Для прочей мобильной электроники в целом действуют те же самые «телефонные» правила: для смарт-часов, для квадрокоптеров, для наушников, всевозможных компонентов умного дома (тот самый интернет вещей или IoT, о котором все говорят) и других гаджетов. На всякий случай собрали все эти знания в одном месте.




4. Чем заряжать, как и когда?

В этой статье мы разобрали массу популярных вопросов, которые вы нам задаёте в группе Neovolt Вконтакте о зарядниках. Можно ли пользоваться телефоном во время зарядки, есть ли вред от быстрой зарядки, какой адаптер выбрать, какой для машины от USB-прикуривателя и так далее. Этот материал мы часто перечитываем сами, когда что-то забывается.




5. Зарядка по ночам без присмотра

Заслуживающая отдельного внимания тема, которая волнует и нас самих. Как понять ответ многих инженеров и специалистов на эту тему: «Можно, но не нужно». То есть можно оставить, но чем тогда закончится, если «не нужно» так делать? Прояснили, чем всё грозит при недолгом оставлении или на пару недель, и почему производители разрешают надолго оставлять подключённый к розетке телефон.




6. До скольки процентов заряжать?

Если честно, то эта статья идеализирована — как раз о максимальной (теоретической) заботе об аккумуляторе, когда вы сможете продлить его срок службы так сильно, как никто другой в этом мире. Общее правило зарядки 20%-80% здесь расписано по пунктам.




7. Так ли страшна разрядка в ноль?

Пожалуй, самый популярный вопрос за всю историю нашей компании Neovolt, которой, между прочим, уже больше 12 лет. Насколько опасно разряжать гаджеты до полного выключения (или даже «потом включить, он ещё немного поработает и опять выключится»)? На самом деле неопасно. В каких случаях это полезно, в каких ни в коем случае нельзя допускать — всё это имеет не домыслы, не переписано с интернета, а основано на научных фактах.




8. Постоянно держать ноутбук на зарядке

Рекомендуем всем владельцам ноутбуков не держать их постоянно на зарядке в розетке. По возможности лучше вытаскивать батарею, когда она не нужна. В остальных случаях (например, нельзя или сложно извлекать аккумулятор) заряжайте и затем используйте батарею, не держите её всегда в состоянии «капельной дозарядки» — все подробности на примере макбуков, официальной позиции Apple и научных фактов, конечно же.




Что-нибудь может измениться с тем, как часто заряжать аккумулятор?

Да, может. В будущем процесс зарядки будет отличаться — учёные уже сейчас активно исследуют двумерные решёточные системы для понимания всех процессов и электрохимических свойств аккумуляторов. Они получают идеализированное и всё более точное представление о химических процессах внутри аккумулятора.

Сегодня электрохимические исследования «на коне». Ведь разработки в области накопления энергии сейчас особенно востребованы в концернах автомобилестроения, которые переходят к электромобилям.


Известно, что в аккумуляторах тепло распространяется и рассеивается. Но на сохранение энергии влияет и то, каким образом она доставляется, технически говоря, насколько точно «выравнивается доставка». И вот учёные выяснили, что доставка эффективнее всего при методе «реже и до максимума». Процитируем научную публикацию.



Учёные из Польской академии наук:

Мы заметили, что количество энергии, которое может хранить система, варьируется в зависимости от размера порции энергии и частоты её подачи. Наибольший показатель происходит, когда порции доставки энергии велики, но промежутки времени между их подачей также велики.

Интересно, что, оказывается, если мы разделим этот тип системы хранения внутри на отсеки или ячейки, то количество энергии, которая может храниться в такой разделенной батарее (если бы её можно было построить) увеличивается. Другими словами, три маленьких батареи могут хранить больше энергии, чем одна большая.

Мы в свою очередь хотели бы отметить, всё это верно при условии, что общее количество энергии, вводимой в систему, остаётся неизменным. То есть меняется только способ её доставки.


Исследование, надо сказать, носит теоретический (базисный) характер. До практики, как мы уже говорили в материале о мошенниках-учёных, пока ещё неблизко. Но вполне ожидаемо претерпит изменения фундаментальный принцип, с которым будут разрабатываться аккумуляторы для будущих гаджетов и программное обеспечения для управления ими.


→ Полная версия научной публикации Польской академии здесь.

Уже сейчас это исследование предлагает возможность зарядки электромобиля не за нескольких часов, а за чуть менее двадцати минут, предлагая тем самым значительное увеличение мощности таких батарей, не изменяя их объём. Достаточно просто изменив путь определения оптимальной периодичности подачи энергии.


Узнайте больше о батареях

Каких методов вы придерживаетесь при зарядке гаджетов? Поделитесь опытом длительного использования аккумулятора — напишите в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.



как собрать литиевую батарею своими руками

Изначально литий ионные батарейки предназначались для мобильных устройств будь-то телефоны, фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, но в последнее десятилетие выпуск литиевых аккумуляторов налажен и большинством автопроизводителей.

Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:

  • собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи — неоправданно дорогие;
  • очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
  • если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.

Своими руками можно собрать батарею из отдельных элементов, которая будет ограничена лишь энергоплотностью и ценой за ватт-час, в зависимости от типа выбранных элементов:

  1. NiMH — никель металогидридные;
  2. Li-ion — литий ионные;
  3. Li-pol — литий полимерные;
  4. LiFePO4 — литий железо-фосфатные;
  5. Lead-Acid — свинцово-кислотные.

Опасность перезаряда литиевых элементов

С литиевыми элементами нужно обращаться осторожно, поскольку в них сосредоточена большая энергия на малую площадь при полном заряде. Поэтому уже давно в продаже имеются защищенные Li-ion и Li-pol батарейки.

Ещё в 1991 году компания Sony обратила внимание на взрывоопасность Li-ion элементов. В настоящее время все без исключения аккумуляторы наматываются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы исключить риск внутреннего короткого замыкания. Все фирменные батарейки снабжены платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их в следующих случаях:

  1. Аккумулятор чрезмерно разряжен — ниже 2,5 В.
  2. Перезаряжен — свыше 4,2 В.
  3. Подан слишком большой ток заряда — более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
  4. Короткое замыкание.
  5. Превышен ток нагрузки — более 5С.
  6. Неправильная полярность при заряде.

Для дополнительной подстраховки служит термопредохранитель, размыкающий цепь при перегреве литиевого элемента свыше 90 °C.

Как найти батарею с защитой?

Литиевые аккумуляторы выпускаются в бытовом и технологическом исполнении. Батарейки для бытового использования имеют прочный пластмассовый корпус и встроенную электронную защиту. Технологические элементы, предназначенные для промышленного использования, чаще всего выпускаются в бескорпусном виде и не имеют встроенной защиты.

  1. Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected» в названии, незащищенные — «unprotected».
  2. Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
  3. Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.

Плюсовой полюс батарейки обязательно соединяется с защитной платой тонкой пластинкой, иначе защита работать не будет.

О балансировке элементов литиевого аккумулятора

При последовательном соединении отдельных элементов их напряжения суммируются, а ёмкость остаётся той же. Даже из одной серии батарейки имеют различные характеристики, поэтому заряжаются они с разной скоростью. Например, при заряжании до суммарного напряжения 12,6 В элемент посередине может перезарядиться до 4,4 В, что опасно его перегревом.

Дабы не происходило чрезмерного перезаряда незащищенных элементов, применяются балансировочные шлейфы, подключаемые к специальным зарядным устройствам, например: iMAX B6 и Turnigy Accucel-6.

Каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарейка бытового назначения имеет самую совершенную защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля напряжения, ключа на полевом транзисторе и термопредохранителя.

Балансировка защищённых элементов не требуется, поскольку при возрастании напряжения на каком-то из них до 4,2 В, зарядка гарантированно прервётся.

При сборке батареи из элементов без защиты есть выход из положения — поставить одну плату контроля напряжения на все батарейки, к примеру, соединив их по схеме 4S2P — 4 последовательно, 2 параллельно.

Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.

При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.

О ёмкости литиевых аккумуляторов

Ёмкость — способность аккумулятора отдавать ток, измеряемая в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). К примеру, батарейка ёмкостью в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A один час, или в 1 A два часа. Но эта зависимость тока от времени подключения нагрузки не линейна — в определённой точке графика при увеличении тока вдвое время работы батареи снижается вчетверо. Поэтому производители всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде аккумулятора чрезмерно малым током в 100 мА.

Количество энергии зависит от напряжения аккумулятора, поэтому никель металогидридные элементы при одинаковой ёмкости имеют в 3 раза меньшую энергоёмкость, чем литий ионные:

  • NiMH — 1,2 В * 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
  • Li-ion — 3,7 В * 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

При поиске и покупке аккумуляторных батареек отдавайте предпочтение известным фирмам, таким как Samsung, Sony, Sanyo, Panasonic. Батарейки этих производителей имеют ёмкость наиболее соответствующую той, что указана на их корпусе. Надпись 2600 мА на элементах Sanyo не сильно отличается от их настоящей ёмкости в 2500–2550 мА. Подделки китайских производителей с хвалёной ёмкостью в 4200 мА недотягивают и до 1000 мА, зато цена на них в два раза ниже японских оригиналов.

Как соединить литиевые батарейки?

Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:

  1. пайку;
  2. соединительные коробки;
  3. неодимовые магниты;
  4. точечную сварку.

Пайку при заводской сборке применяют крайне редко, так как литиевый элемент разрушается от нагрева, теряя при этом часть своей ёмкости. С другой стороны, в домашних условиях пайка будет оптимальным способом соединения батареек, поскольку даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах. Пользоваться нужно мощным паяльником на 100 Вт, и прикасаться им к литиевым батареям не более чем на две секунды.

Мощные редкоземельные магниты покрываются слоем никеля или цинка, поэтому их поверхность не окисляется. Эти магниты обеспечивают прекрасный контакт между батарейками. Если захотите припаять проводок к магниту, не забывайте о температуре Кюри, свыше которой любой магнит становится камушком. Ориентировочно допустимая температура для магнитов составляет 300°С.

Если пользоваться коробком для соединения аккумуляторов, то становиться очевидным большой плюс, поскольку так легче будет подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный элемент.

Точечная сварка — наилучший способ соединения литиевых элементов, используемый при сборке батарей для ноутбуков.

Покупать готовый литиевый аккумулятор для машины или мотоцикла невыгодно, когда его можно собрать самому за более низкую цену. Можно сэкономить до 70 долларов, если не покупать новую батарею ноутбука, а самостоятельно заменить в ней элементы.

Об экономии при сборке мощных литиевых батарей для питания электроавтомобилей или систем автономного электроснабжения дома судить тяжело, так как в этих случаях присутствуют дополнительные затраты на оборудование управления и контроля.

Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.


 

12 вольт, li ion (литий ионные)

Аккумуляторный инструмент удобен на природе, местах, лишенных стабильного постоянного доступа к электропитанию. Отсутствие кабеля позволяет избежать неудобств с удлинителями, страха перегрузить сеть, запутывания проводами, невозможности подлезть к труднодоступным участкам.

Эксплуатация аккумуляторного инструмента имеет свои особенности. Как правильно зарядить аккумулятор, не испортив? Из чего состоят, чем отличаются? Ответы – в статье.

Устройство аккумулятора шуруповерта

Основные элементы конструкции:

  • Корпус, на котором размещены контакты (соединяют с з/у или электроинструментом).
  • «Банки» (как правило, их несколько), объединенные общей цепью.
  • Для безопасной эксплуатации есть температурный датчик, предотвращающий перегрев.

Характеристики АКБ для шуруповертов:

  • Напряжение (В) – это показатель, характеризующий возможности инструмента. Оно влияет на то, насколько сложные задачи получится выполнить с его помощью. Напряжение можно охарактеризовать как эквивалент мощности сетевых приборов. Показатель непостоянен: достигает пика при полностью заряженной батарее, постепенно снижается в процессе разрядки. Именно поэтому есть смысл выполнять работы, требующие высокой силы удара, вначале.
  • Емкость характеризует, какое количество энергии накапливает устройство. Влияет на продолжительность работы на одном заряде. Надо помнить – одно устройство с одной батареей будет работать разное время (зависит от сложности задач).
  • Масса и габариты влияют на то, насколько комфортно использовать их с инструментом. Устройство с тяжелой батареей продолжительно удерживать на весу будет неудобно, что скажется на производительности и качестве выполняемых работ.
  • Дополнительный функционал. Индикатор отражает, какое количество энергии осталось до полной разрядки. Полезен, чтобы распланировать рабочее время. Некоторые производители выпускают батареи, совместимые с рядом разнообразных инструментов: триммерами, шуруповертами, электропилами, лобзиками.

Какие типы аккумуляторов существуют?

Какие разновидности АКБ используются дрелями-шуруповертами?

  • Никель-кадмиевые (NiCd). Первый тип устройств, долго держит зарядку, оснащен достаточной емкостью. Есть эффект памяти, который запрещает ставить на зарядку при неполном разряде батареи. Поэтому частая подзарядка недопустима, это ведет к сокращению емкости АКБ. Перед первым использованием сначала полностью зарядите блок, потом начинайте работу с инструментом. Никель-кадмиевые используются шуруповертами бюджетного класса. Они дешевые. Подойдут для нечастого использования.
  • Никель-металл-гидридные (NiMH). Пришли на смену никель-кадмиевым. Более экологичны и меньше весят. Хуже сохраняют зарядку в режиме бездействия, за счет чего может быстро снизиться емкость батареи. Желательно подзаряжать перед каждым применением, всегда брать с собой зарядное устройство.
  • Литий-ионные (Li-Ion). Характерны достаточной емкостью батареи. Лишены эффекта памяти, рассчитаны на интенсивное и регулярное применение. Быстро заряжаются, циклов насчитывают до 1000. Отличаются сравнительно высокой стоимостью. Быстрее разряжаются, когда работают при низких температурах, давая нестабильный поток энергии. Хранить такие батареи нужно разряженными наполовину, периодически восполняя емкость.

Особенности и правила зарядки АКБ шуруповертов

Батареи произведены из разных материалов. Это влияет на размеры, вес, возможность сверлить при минусовых температурах, напряжение, емкость, подверженность эффекту памяти. Последний особенно влияет на принцип зарядки шуруповерта.


Эффект памяти – это потеря емкости, достигаемая неполной разрядкой аккумуляторной батареи. Если прекратить использование инструмента до того, как он разрядится полностью, устройство “запомнит” это и не будет использовать ресурс в полном объеме. Несоблюдение правил эксплуатации батареи сокращает емкость.


Сколько времени нужно заряжать аккумулятор шуруповерта?

Перед тем, как зарядить аккумуляторную дрель или шуруповерт, нужно определить, сколько времени потребуется для этой процедуры. Период прописан в инструкции, прилагающейся к инструменту. Некоторые модели имеют световую индикацию – она отобразит, когда прибор полностью заряжен. После завершения зарядки сразу отсоедините батарею от з/у.

Обычно время заряда составляет от получаса до 7 часов, в зависимости от типа батареи и зарядного устройства. Дольше всего подпитываются энергией никель-кадмиевые – 3-7 ч.

Правила хранения аккумулятора шуруповерта

Литий-ионные

Лишены эффекта памяти: можно подзаряжать на любой стадии. Не стоит допускать полного разряда – приводит к выключению защитных контроллеров, предотвращающих перегрузки. В результате этого устройство может не выдержать интенсивную эксплуатацию, выйти из строя.

Никель-кадмиевые

Аккумулятор перед хранением разряжают практически полностью (до состояния нерабочего инструмента). Чтобы убрать устройство на долгое хранение (более 6 месяцев), выполните от 3 до 5 полных курсов заряда-разрядки.

Никель-металл-гидридные

Больше остальных типов подвержены быстрому саморазряду. После длинного срока хранения нужно поставить АКБ на зарядное устройство минимум на сутки, чтобы восполнить запасы энергии. Отмечается снижение емкости после 300 циклов заряда-разрядки.

Заряжать аккумулятор перед хранением?

Как с прошлым пунктом, зависит от типа, есть ли смысл зарядка АКБ перед хранением.

Li-Ion

На хранение литий-ионный аккумулятор нужно убирать с зарядом в 50%, периодически (1 раз / 1-2 мес.) доставать и подзаряжать.

NiCd

Хранить в разряженном состоянии.

NiMH

Постоянно поддерживать уровень зарядки, периодически восполнять.

Проверка состояния АКБ при помощи мультиметра

Будет полезно, чтобы определить причину, по которой батарея не заряжается. Процедура выявит работоспособность аккумуляторов. Приведем простые в реализации методы, которые можно использовать в домашних условиях. Подготовьте оборудование: помимо мультиметра потребуются инструменты для разборки АКБ (плоскогубцы, паяльник, отвертка, нож.

  1. Проверьте батарею на зарядке, снимая показания с интервалом 30 минут. Вольтаж должен стабильно возрастать до полной зарядки.
  2. Быстрый метод проверки состояния АКБ. Замеряем U вхолостую. Сопоставляем результат с реальным напряжением и количеством элементов Показатели разнятся – АКБ имеет нерабочие части, которые требуется заменить.

Способы зарядки без использования зарядного устройства (нестандартные методы)


НАДО ЗНАТЬ! Не рекомендуем применять на практике информацию из данного пункта. Приводим в ознакомительных целях.


Существуют нестандартные методы, как заряжать аккумулятор шуруповерта без зарядного устройства:

  • зарядка от автомобиля,
  • универсального з/у,
  • внешнего источника энергии.

Эффективность таких действий может быть оправдана, если нет фирменной зарядки. Безопасность сомнительна – возможна перезарядка. Не советуем использовать эти методы – они могут привести к выходу из строя, поломке аккумуляторной батареи и опасны для пользователя. Приобретите фирменный АКБ аналогичной шуруповерту марки или подходящий по характеристикам.

Что делать, если АКБ шуруповерта не заряжается?

Условия хранения и эксплуатации выполнялись, экзотические способы зарядки не использовались, а АКБ перестал заряжаться. Что делать?

  1. Осмотрите контакты между клеммами аккумуляторного блока и з/у. Причина неработоспособности может оказаться в недостаточно высоком контакте. В этом случае рекомендуем разобрать зарядное устройство, после чего подогнуть клеммы.
  2. В корпус з/у могли попасть грязь, мелкие частицы пыли. Чтобы этого избежать, своевременно протирайте контактную группу. Признаки загрязнения – это уменьшенное время работы дрели-шуруповерта, восполнение заряда проходит быстрее.

НАДО ЗНАТЬ! Попытка самостоятельно разобрать инструмент и сопутствующие детали, отремонтировать лишит гарантии. Сомневаетесь в технических навыках – отнесите неработающее оборудование в сервис.


Что делать, если аккумулятор не держит заряд?

  • Заказать новый. Если аккумулятор не держит заряд, его циклы закончились. Нормально, что АКБ со временем изнашиваются.
  • Обратить внимание на условиях эксплуатации. Li-Ion для дрели-шуруповерта не держат при низкой температуре.
  • NiCd, NiMH подвержены эффекту памяти. Возможно, вы ставили заряжать аккумулятор шуруповерта до полной разрядки. Это становится причиной того, что аккумулятор не держит заряд – купите новый.
  • Инструмент куплен недавно, а аккумулятор не держит заряд? Возможно, попался бракованный экземпляр. Обратитесь в сервисный центр.

Методы разряда батареи

- Battery University

Узнайте, как определенные разрядные нагрузки сокращают срок службы батареи.

Назначение батареи - накапливать энергию и высвобождать ее в желаемое время. В этом разделе исследуется разряд при различных скоростях C и оценивается глубина разрядки, на которую батарея может безопасно перейти. В документе также наблюдаются различные сигнатуры разряда и исследуется время автономной работы при различных схемах загрузки.

Электрохимическая батарея имеет преимущество перед другими устройствами накопления энергии в том, что энергия остается высокой в ​​течение большей части заряда, а затем быстро падает по мере истощения заряда.Суперконденсатор имеет линейный разряд, а сжатый воздух и маховик накопителя являются противоположностью батареи, поскольку вначале выдают самую высокую мощность. На рисунках 1, 2 и 3 показаны смоделированные разрядные характеристики накопленной энергии.

Большинство перезаряжаемых аккумуляторов могут быть кратковременно перезаряжены, но это должно быть непродолжительное время. Срок службы батареи напрямую зависит от уровня и продолжительности нагрузки, которая включает заряд, разряд и температуру.

Любители дистанционного управления (ПДУ) - это особая категория пользователей батарей, которые максимально увеличивают терпимость к «хрупким» высокопроизводительным батареям, разряжая их со скоростью 30 ° C, что в 30 раз превышает номинальную емкость. Столь же захватывающим может быть вертолет с дистанционным управлением, гоночный автомобиль или скоростной катер; срок службы пакетов будет коротким. Баффы RC хорошо осведомлены о компромиссе и готовы как заплатить цену, так и столкнуться с дополнительными рисками безопасности.

Чтобы получить максимальную энергию на единицу веса, производители дронов обращаются к элементам с высокой емкостью и выбирают Energy Cell.Это контрастирует с отраслями, требующими больших нагрузок и длительного срока службы. Эти приложения относятся к более надежным элементам Power Cell с меньшей емкостью.

Глубина разряда

Свинцово-кислотные разряды до 1,75 В / элемент; система на никелевой основе до 1,0 В / элемент; и большинство литий-ионных до 3,0 В / элемент. На этом уровне расходуется примерно 95 процентов энергии, и если бы разряд продолжался, напряжение быстро упало бы. Чтобы защитить аккумулятор от чрезмерной разрядки, большинство устройств не допускают работу сверх указанного напряжения в конце разряда.

При снятии нагрузки после разряда напряжение исправного аккумулятора постепенно восстанавливается и повышается до номинального напряжения. Различия в сродстве металлов в электродах создают этот потенциал напряжения, даже когда батарея разряжена. Паразитная нагрузка или высокий саморазряд препятствуют восстановлению напряжения.

Высокий ток нагрузки, как в случае сверления бетона с помощью электроинструмента, снижает напряжение батареи, и порог напряжения конца разряда часто устанавливается ниже, чтобы предотвратить преждевременное отключение.Напряжение отключения также следует снижать при разрядке при очень низких температурах, так как напряжение аккумулятора падает, а внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается. В таблице 4 показаны типичные значения напряжения в конце разряда для батарей различного химического состава.

Конец разгрузки

Номинал

Литий-марганцевый

3,60 В / элемент

Литий-фосфат

3.20 В / ячейка

Свинцово-кислотный

2,00 В / элемент

NiCd / NiMH

1,20 В / элемент

Нормальная нагрузка

Тяжелая нагрузка или
низкая температура

3,0–3,3 В / элемент

2,70 В / элемент

2.70 В / ячейка

2,45 В / элемент

1,75 В / элемент

1,40 В / элемент

1,00 В / элемент

0,90 В / элемент

Таблица 4: Номинальное и рекомендованное напряжение в конце разряда при нормальной и большой нагрузке. Более низкое напряжение в конце разряда при высокой нагрузке компенсирует большие потери.

Чрезмерная зарядка свинцово-кислотного аккумулятора может привести к образованию сероводорода, бесцветного, ядовитого и легковоспламеняющегося газа, который пахнет тухлыми яйцами. Сероводород также возникает при разложении органических веществ в болотах и ​​сточных коллекторах и присутствует в вулканических газах и природном газе. Газ тяжелее воздуха и скапливается на дне плохо вентилируемых помещений. Сначала сильное, обоняние со временем притупляется, и жертвы не замечают наличия газа. (См. BU-703: Проблемы со здоровьем, связанные с батареями.)

Что представляет собой цикл разряда?

Под циклом разрядки / зарядки обычно понимается полная разрядка заряженной батареи с последующей подзарядкой, но это не всегда так. Батареи редко полностью разряжаются, и производители часто используют 80-процентную формулу глубины разряда (DoD) для оценки батареи. Это означает, что доставляется только 80 процентов доступной энергии, а 20 процентов остается в резерве. Перезагрузка аккумулятора при неполной разрядке увеличивает срок службы, и производители утверждают, что это ближе к полевому представлению, чем полный цикл, потому что аккумуляторы обычно перезаряжаются с оставшейся некоторой запасной емкостью.

Не существует стандартного определения того, что представляет собой цикл разряда. Некоторые счетчики циклов добавляют полный счет, когда батарея заряжена. Интеллектуальной батарее может потребоваться 15-процентная разрядка после зарядки, чтобы соответствовать требованиям цикла разрядки; что-либо меньшее не считается циклом. Батарея в спутнике имеет типичную DoD 30-40 процентов до того, как батареи будут заряжены в течение спутникового дня. Новый аккумулятор электромобиля может заряжаться только до 80 процентов и разряжаться до 30 процентов. Эта полоса пропускания постепенно расширяется по мере того, как батарея разряжается, чтобы обеспечить идентичное расстояние езды.Избегание полной зарядки и разрядки снижает нагрузку на аккумулятор. (См. Также BU-1003: Электромобиль.)

Гибридный автомобиль использует только часть своей емкости во время разгона перед подзарядкой аккумулятора. Запуск двигателя транспортного средства потребляет менее 5 процентов энергии от стартерной батареи, и это также называется циклом в автомобильной промышленности. Ссылка на количество циклов должна быть сделана в контексте соответствующей обязанности.

Ссылка на цикл разряда или количество циклов не одинаково хорошо относится ко всем приложениям батарей.Одним из примеров, когда подсчет циклов разряда не отражает точно состояние жизни, является запоминающее устройство (ESS). Эти батареи дополняют возобновляемые источники энергии от ветровой и фотоэлектрической энергии, доставляя кратковременную энергию, когда это необходимо, и накапливая, если ее избыток. Время между зарядкой и разрядкой может быть в миллисекундах; типичный уровень заряда аккумулятора составляет 40–60%. Вместо подсчета циклов можно использовать подсчет кулонов как средство измерения износа.


Последнее обновление 09.08.2019

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта.Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык и избегать спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: [email protected] Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

Предыдущий урок Следующий урок

Или перейти к другой артикуле

Батареи как источник питания

Зарядка литиевых батарей | RELiON

Замена может быть сложной даже при переходе со свинцово-кислотной батареи на литиево-железо-фосфатную. Все мы знаем, что правильная зарядка аккумулятора имеет решающее значение и напрямую влияет на производительность и срок службы аккумулятора.Давайте посмотрим, как зарядить аккумулятор RELiON LiFePO4, чтобы получить максимальную отдачу от ваших вложений.

Условия зарядки

Как и ваш мобильный телефон, вы можете заряжать литий-железо-фосфатные батареи в любое время. Очевидно, что если вы дадите им полностью разрядиться, вы не сможете использовать их, пока они не зарядятся. Важно отметить, что, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-железо-фосфатные аккумуляторы не повреждаются, если остаются в частичном состоянии заряда, поэтому вам не нужно беспокоиться о том, чтобы зарядить их сразу после использования.К тому же они не обладают эффектом памяти, поэтому вам не нужно полностью их разряжать перед зарядкой.

Аккумуляторы

RELiON LiFePO4 могут безопасно заряжаться при температуре от -4 ° F до 131 ° F (0 ° C - 55 ° C), однако мы рекомендуем заряжать при температуре выше 32 ° F (0 ° C). Если вы все же заряжаете при температурах ниже нуля, вы должны убедиться, что ток заряда составляет 5-10% от емкости аккумулятора.

Зарядка литий-железо-фосфатной батареи

Идеальный способ зарядить аккумулятор LiFePO4 - использовать зарядное устройство для литий-железо-фосфатного аккумулятора, так как оно будет запрограммировано с соответствующими ограничениями напряжения.Большинство зарядных устройств для свинцово-кислотных аккумуляторов отлично справятся с этой задачей. Профили заряда AGM и GEL обычно находятся в пределах напряжения литий-железо-фосфатной батареи. Зарядные устройства для влажных свинцово-кислотных аккумуляторов, как правило, имеют более высокий предел напряжения, что может привести к переходу системы управления батареями (BMS) в режим защиты. Это не повредит батарею, однако может вызвать появление кодов неисправностей на дисплее зарядного устройства.

Параллельная зарядка аккумуляторов Передовой опыт

При параллельном подключении литиевых батарей лучше заряжать каждую батарею по отдельности, прежде чем выполнять параллельное соединение (я).Если у вас есть вольтметр, проверьте напряжение через пару часов после завершения зарядки и убедитесь, что они находятся в пределах 50 мВ (0,05 В) друг от друга, прежде чем подключать их параллельно. Это минимизирует вероятность дисбаланса между батареями и, в конечном итоге, максимизирует производительность системы. Если со временем вы заметите, что емкость вашей аккумуляторной батареи уменьшилась, отключите параллельные соединения и зарядите каждую батарею по отдельности, а затем снова подключите.

Последовательная зарядка аккумуляторов Передовой опыт

Последовательное соединение литиевых батарей во многом похоже на их параллельное соединение, лучше всего заряжать каждую батарею по отдельности, проверять напряжение и следить за тем, чтобы оно находилось в пределах 50 мВ (0.05V) друг от друга перед последовательным подключением.

Настоятельно рекомендуется заряжать литиевые батареи последовательно с помощью универсального зарядного устройства. Это означает, что все батареи заряжаются одновременно, но полностью независимо друг от друга. В некоторых приложениях это непрактично, поэтому RELiON предлагает батареи на 24 В и 48 В, чтобы уменьшить потребность в нескольких батареях, подключенных последовательно.

Что делать при хранении?

Литий-железо-фосфатные батареи намного проще хранить, чем свинцово-кислотные.Для кратковременного хранения от 3 до 6 месяцев ничего делать не нужно. В идеале перед хранением оставьте их заряженными примерно на 50%. Для длительного хранения лучше всего хранить их с уровнем заряда 50%, а затем циклически разряжать их, заряжать и затем частично разряжать примерно до 50% каждые 6-12 месяцев.

Основные различия между литий-железо-фосфатными и свинцово-кислотными аккумуляторами при зарядке

Литиевые батареи

могут заряжаться при гораздо более высоком токе, и они заряжаются более эффективно, чем свинцово-кислотные, что означает, что их можно заряжать быстрее.Литиевые батареи не нужно заряжать, если они частично разряжены. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые при частичном заряде сульфатируются, что резко снижает производительность и срок службы.

Литиевые батареи

RELiON поставляются с внутренней системой управления батареями (BMS), которая защищает батарею от перезарядки, тогда как свинцово-кислотные батареи могут быть перезаряжены, что увеличивает скорость коррозии сети и сокращает срок службы батареи.

Для получения более подробной информации о зарядке литиевых батарей RELiON ознакомьтесь с нашими инструкциями по зарядке и свяжитесь с нами, если у вас возникнут какие-либо вопросы.


Об авторе:

Кристина Федорова - вице-президент по управлению продуктами и стратегии в RELiON Battery. Обладая более чем 23-летним опытом работы с аккумуляторами глубокого цикла, в том числе свинцово-кислотными и AGM, а также литиевыми аккумуляторами, Кристина является инженером с опытом тестирования аккумуляторов, разработки продуктов и управления ими, а также технической поддержки. Следите за Кристин в LinkedIn здесь.

Как заряжать литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4)

Если вы недавно приобрели или исследуете литий-железо-фосфатные батареи (в этом блоге они называются литиевыми или LiFePO4), вы знаете, что они обеспечивают большее количество циклов, равномерное распределение мощности и весят меньше, чем сопоставимые герметичные свинцово-кислотные батареи (SLA ) аккумулятор.Знаете ли вы, что они также могут заряжаться в четыре раза быстрее, чем SLA? Но как именно заряжать литиевую батарею?

Power Sonic рекомендует выбирать зарядное устройство, разработанное с учетом химического состава вашей батареи. Это означает, что при зарядке литиевых батарей мы рекомендуем использовать литиевые зарядные устройства, такие как LiFe Charger Series от Power Sonic.

МОЖЕТ ЛИ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАРЯДИТЬ ЛИТИЕВУЮ БАТАРЕЮ?

Как вы узнаете из этого блога, профили зарядки SLA и лития имеют много общего.Однако следует проявлять особую осторожность при использовании зарядных устройств SLA для зарядки литиевых батарей, поскольку они могут повредить литиевую батарею при недостаточной зарядке или снизить ее емкость с течением времени. Есть много различий при сравнении литиевых батарей и батарей SLA.

ПРОФИЛЬ ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА С УПЛОТНЕНИЕМ (SLA)

Давайте вернемся к основам зарядки герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов. Наиболее распространенный метод зарядки представляет собой трехэтапный подход: начальный заряд (постоянный ток), дополнительный заряд насыщения (постоянное напряжение) и плавающий заряд.

В Stage 1 , как показано выше, ток ограничен, чтобы избежать повреждения батареи. Скорость изменения напряжения непрерывно изменяется во время Стадии 1, в конечном итоге начиная с выхода на плато, когда приближается к пределу полного заряда. Перед переходом к следующему этапу решающее значение имеет постоянный ток / этап 1 заряда. Зарядка на этапе 1 обычно выполняется при токе 10–30% (0,1–0,3 ° C) от номинальной емкости аккумулятора или меньше.

Этап 2 , постоянное напряжение, начинается, когда напряжение достигает предела напряжения (14.7 В для быстрой зарядки аккумуляторов SLA). На этом этапе потребляемый ток постепенно уменьшается по мере продолжения максимального заряда батареи. Этот этап завершается, когда ток падает ниже 5% от номинальной емкости батареи. Последний этап, плавающий заряд, необходим для предотвращения саморазряда и потери емкости аккумулятора.

Если аккумулятор используется в резервном приложении, подзарядка необходима для обеспечения полной емкости аккумулятора, когда требуется разрядка аккумулятора.В приложении, где батарея находится на хранении, плавающая зарядка поддерживает батарею SLA на уровне 100% заряда (SOC), что необходимо для предотвращения сульфатирования батареи, что, таким образом, предотвращает повреждение пластин батареи.

ПРОФИЛЬ ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА LIFEPO4

В аккумуляторе LiFePO4 используются те же ступени постоянного тока и постоянного напряжения, что и в аккумуляторе SLA. Несмотря на то, что эти две ступени похожи и выполняют одну и ту же функцию, преимущество батареи LiFePO4 заключается в том, что скорость заряда может быть намного выше, что значительно сокращает время зарядки.

Этап 1 Зарядка аккумулятора обычно выполняется при токе 30% -100% (от 0,3 ° C до 1,0 ° C) от номинальной емкости аккумулятора. Для завершения этапа 1 приведенной выше таблицы SLA требуется четыре часа. Этап 1 литиевой батареи может занять всего один час, что делает литиевую батарею доступной для использования в четыре раза быстрее, чем SLA.

Этап 2 необходим в обоих химикатах, чтобы довести аккумулятор до 100% SOC. Батарея SLA занимает 7 часов, чтобы завершить этап 2, тогда как литиевая батарея может занять всего 15 минут.В целом литиевая батарея заряжается за четыре часа, а батарея SLA обычно занимает 10. В циклических приложениях время зарядки очень важно. Литиевую батарею можно заряжать и разряжать несколько раз в день, тогда как свинцово-кислотную батарею можно полностью перезаряжать только один раз в день.

Там, где они становятся разными по профилям зарядки, это Стадия 3 . Литиевая батарея не требует плавающего заряда, как свинцово-кислотная. При долгосрочном хранении литиевые батареи не должны храниться при 100% SOC, и поэтому их можно поддерживать в полном цикле (заряжать и разряжать) один раз каждые 6–12 месяцев до 30–70% SOC.

В резервных приложениях, поскольку скорость саморазряда лития настолько мала, литиевая батарея обеспечивает почти полную емкость, даже если она не заряжалась в течение 6–12 месяцев. Для более длительных периодов времени рекомендуется система зарядки, обеспечивающая подзарядку в зависимости от напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАРЯДКИ ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА

Настройки напряжения и тока во время зарядки

Номинальное напряжение полной зарядки 12 В SLA-батареи составляет около 13.1, а полное напряжение заряда литиевой батареи 12,8 В составляет около 13,4. Аккумулятор будет поврежден только в том случае, если приложенное напряжение зарядки значительно выше, чем напряжение полной зарядки аккумулятора.

Это означает, что уровень заряда батареи SLA должен быть ниже 14,7 В для стадии 2 зарядки и ниже 15,2 В для литиевой. Плавающая зарядка требуется только для батареи SLA, рекомендуется около 13,8 В. Исходя из этого, диапазон напряжения заряда от 13,8 В до 14,7 В достаточен для зарядки любой батареи без повреждения.При выборе зарядного устройства для любого химического соединения важно выбрать такое, которое будет находиться в пределах, указанных выше.

Зарядные устройства

выбираются в соответствии с емкостью заряжаемой батареи, поскольку ток, используемый во время зарядки, зависит от номинальной емкости батареи. Литиевую батарею можно заряжать со скоростью 1С, в то время как свинцово-кислотную батарею следует хранить при температуре ниже 0,3С. Это означает, что литиевый аккумулятор на 10 Ач обычно можно заряжать при токе 10 А, а свинцово-кислотный аккумулятор на 10 Ач можно заряжать при токе 3 А.

Ток отключения заряда составляет 5% от емкости, поэтому ток отключения для обеих батарей будет 0,5 А. Обычно значение тока на клеммах определяется зарядным устройством.

Универсальные зарядные устройства

обычно имеют функцию выбора химического состава. Эта функция выбирает оптимальный диапазон напряжения зарядки и определяет, когда аккумулятор полностью заряжен. Если заряжается литиевая батарея, зарядное устройство должно отключиться автоматически. Если он заряжает аккумулятор SLA, он должен переключиться на плавающий заряд.

Литиевые батареи заменяют герметичные свинцово-кислотные в поплавковых устройствах

Литиевые батареи очень часто устанавливают в приложениях, где SLA-батареи обычно поддерживаются на плавающем заряде, например, в системе ИБП. Были некоторые опасения, безопасно ли это для литиевых батарей. Обычно допустимо использовать стандартное зарядное устройство SLA с постоянным напряжением с нашими литиевыми батареями, если оно соответствует определенным стандартам.

При использовании зарядного устройства SLA с постоянным напряжением, Зарядное устройство должно соответствовать следующим условиям:
- Зарядное устройство не должно содержать настройки десульфатирования
- Напряжение быстрой зарядки 14.7V
- Рекомендуемое напряжение плавающего заряда 13,8 В

В качестве примечания, некоторые интеллектуальные или многоступенчатые зарядные устройства SLA имеют функцию, которая определяет напряжение холостого хода (OCV). Чрезмерно разряженная литиевая батарея, находящаяся в режиме защиты, будет иметь OCV равное 0. Этот тип зарядного устройства предполагает, что эта батарея разряжена, и не будет пытаться ее зарядить. Зарядное устройство с литиевой настройкой попытается восстановить или «разбудить» переразряженную литиевую батарею.

Долгосрочное хранение

Если вам нужно хранить батареи в хранения в течение длительного периода, есть несколько вещей, которые следует учитывать в качестве Требования к хранению различны для SLA и литиевых батарей.Есть два Основные причины, по которым хранение SLA по сравнению с литиевой батареей отличается.

Первая причина в том, что химия аккумулятор определяет оптимальный SOC для хранения. Для батареи SLA вы хотите хранить его как можно ближе к 100%, чтобы избежать сульфирования, которое вызывает скопление кристаллов сульфата на пластинах. Наращивание кристаллов сульфата уменьшит емкость аккумулятора.

Для литиевой батареи структура положительного вывода становится нестабильной при истощении электронов в течение длительного периода времени.Нестабильность положительного вывода может привести к необратимой потере емкости. По этой причине литиевый аккумулятор следует хранить около 50% SOC, который равномерно распределяет электроны на положительных и отрицательных выводах.

Второе влияние на хранение - это скорость саморазряда. Высокая скорость саморазряда батареи SLA означает, что вы должны поставить ее на плавающий заряд или постоянный заряд, чтобы поддерживать его как можно ближе к 100% SOC, чтобы избежать необратимой потери емкости. Для литиевой батареи, которая имеет гораздо более низкую скорость разряда и не требует 100% SOC, вы можете обойтись с минимальной поддерживающей зарядкой.

Рекомендуемые зарядные устройства

Всегда важно соответствовать вашему зарядное устройство для обеспечения правильного тока и напряжения для аккумулятора, который вы используете зарядка. Например, нельзя использовать зарядное устройство на 24 В для зарядки аккумулятора на 12 В. Также рекомендуется использовать зарядное устройство, подходящее для вашей батареи. химии, за исключением примечаний сверху о том, как использовать зарядное устройство SLA с литиевая батарея.

Если у вас есть вопросы о существующем совместимость зарядного устройства с одним из наших продуктов, позвоните нам или отправьте нам электронное письмо.Мы будем рады помочь вам с зарядкой.

Могу ли я зарядить литиевый аккумулятор свинцово-кислотным зарядным устройством?

Могу ли я зарядить литиевый аккумулятор свинцово-кислотным зарядным устройством?

Это вопрос, который нам задают каждый день широкая публика. Литиевые батареи не похожи на свинцово-кислотные, и не все зарядные устройства одинаковы.

Литиевая батарея LiFePO4 на 12 В, полностью заряженная до 100%, будет поддерживать напряжение около 13.3-13,4в. Его свинцово-кислотный двоюродный брат будет примерно 12,6–12,7 В. Литиевая батарея с емкостью 20% будет выдерживать напряжение около 13 В, ее свинцово-кислотный родственник будет около 11,8 В при той же емкости. Как видите, мы играем с очень узким диапазоном напряжения для лития, менее 0,5 В на 80% емкости.

Зарядное устройство для лития LiFePO4 - это устройство ограничения напряжения, которое имеет сходство со свинцово-кислотной системой. Отличия от литий-ионных аккумуляторов заключаются в более высоком напряжении на элемент, более жестких допусках по напряжению и отсутствии непрерывного или плавающего заряда при полной зарядке.В то время как свинцово-кислотный предлагает некоторую гибкость с точки зрения отключения напряжения, производители элементов LiFePO4 очень строго подходят к правильной настройке, поскольку литий-ионные аккумуляторы не могут выдерживать перезаряд. Так называемого чудо-зарядного устройства, обещающего продлить срок службы батареи и получить дополнительную емкость с помощью импульсов и других уловок, не существует. LiFePO4 - это «чистая» система, которая берет только то, что может поглотить.

Литиевые зарядные устройства

основаны на алгоритме заряда CV / CC (постоянное напряжение / постоянный ток). Зарядное устройство ограничивает количество тока до предварительно установленного уровня, пока аккумулятор не достигнет предварительно установленного уровня напряжения.Затем ток уменьшается по мере того, как аккумулятор полностью заряжается. Эта система обеспечивает быструю зарядку без риска перезарядки и подходит для литий-ионных и других типов аккумуляторов.

Алгоритм литиевого зарядного устройства ePOWER от Enerdrive

Как видно из приведенного выше графика заряда, литиевая батарея имеет резкое повышение напряжения в самом конце цикла зарядки. На этом этапе зарядный ток очень быстро падает, а затем зарядное устройство переключается в режим питания.

Большинство свинцово-кислотных интеллектуальных зарядных устройств в наши дни имеют особые алгоритмы зарядки, подходящие для залитых / AGM / гелевых аккумуляторов, которые обычно требуют трехступенчатого процесса зарядки: накопление / абсорбция / плавающий. Когда зарядное устройство переходит в объемное состояние, оно обычно заряжает свинцово-кислотный аккумулятор полным током примерно до 80% емкости. В этот момент зарядное устройство перейдет в стадию абсорбции.

Типичный алгоритм свинцово-кислотного зарядного устройства

На этой фазе зарядки зарядное устройство будет поддерживать максимальное напряжение для выбранной батареи и заряжать батарею пониженным током, поскольку внутреннее сопротивление батареи не может принять ток заряда на максимальной мощности.Как только ток снизится примерно до ≤10% от общей мощности зарядного устройства, он перейдет в плавающее состояние. Стадия абсорбции также зависит от времени: если зарядное устройство все еще находится в фазе абсорбции через 4 часа, зарядное устройство автоматически перейдет в стадию поплавка. Обычно это происходит, если размер зарядного устройства меньше размера для аккумуляторной батареи, или если в системе работают нагрузки, которые не позволяют зарядному устройству снизить ток ниже точки перехода.

Большинство, если не все свинцово-кислотные зарядные устройства имеют режим выравнивания.На некоторых зарядных устройствах этот режим может быть автоматическим, и его нельзя отключить. Литиевые батареи не требуют выравнивания напряжения. Применение выравнивающего заряда 15 В + к литиевой батарее приведет к необратимому повреждению элементов.

Другая функция свинцово-кислотных зарядных устройств - это возврат к основному напряжению. Напряжение полностью полностью заряженных свинцово-кислотных аккумуляторов составляет около 12,7 В. Когда зарядное устройство находится в плавающем режиме, оно будет поддерживать заданное напряжение батареи (обычно в пределах 13,3-13,8 В в зависимости от типа батареи), а также поддерживать любые нагрузки, работающие в это время.Если нагрузка превысит максимальную выходную мощность зарядного устройства в плавающем режиме, то напряжение аккумулятора начнет снижаться. Как только напряжение достигнет значения «возврат к основному», зарядное устройство начнет новый цикл зарядки и начнет повторную зарядку аккумулятора.

Напряжение возврата в основной заряд свинцово-кислотных зарядных устройств обычно составляет 12,5–12,7 В. Это напряжение для литиевой батареи слишком низкое. При этом напряжении литиевая батарея будет разряжена примерно до 10-15% уровня заряда. Алгоритмы заряда лития обычно устанавливают возврат к основному напряжению 13.1-13,2 В. Это еще одна причина того, что стандартное свинцово-кислотное зарядное устройство не подходит для литиевых батарей.

Некоторые свинцово-кислотные зарядные устройства «проверяют» аккумулятор при запуске, чтобы определить напряжение / сопротивление аккумулятора. На основе возвращаемой информации зарядное устройство затем определяет, с какой фазы зарядки следует начать. Поскольку литий будет удерживать напряжение выше 13 + В, некоторые свинцово-кислотные зарядные устройства будут рассматривать это как почти полную батарею и переходить в фазу поплавка и полностью обходить этап зарядки. вместе.

Если вы хотите использовать свинцово-кислотное зарядное устройство на литиевой батарее, вы можете, ОДНАКО, вы НЕ должны использовать свинцово-кислотное зарядное устройство, если оно имеет автоматический «режим выравнивания», который нельзя отключить постоянно.Свинцово-кислотное зарядное устройство, которое можно настроить на зарядку не выше 14,6 В, можно использовать для обычной зарядки, а затем ДОЛЖНО отключаться после полной зарядки аккумулятора. ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять подключенным свинцово-кислотное зарядное устройство для обслуживания или хранения батареи, потому что большинство из них НЕ будет поддерживать надлежащий алгоритм заряда литиевых батарей, и это приведет к повреждению батареи, и это не покрывается гарантией батареи.

В конечном счете, использование зарядного устройства с особым алгоритмом зарядки литиевых батарей - лучший вариант для максимальной производительности и срока службы любой литиевой батареи.

СМОТРИТЕ НИЖЕ НАШ АССОРТИМЕНТ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ, ВКЛЮЧАЯ ЛИТИЕВЫЕ ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА:

Можно ли оставлять литий-ионную батарею в зарядном устройстве? Часто задаваемые вопросы по зарядке аккумуляторов вилочного погрузчика и других устройств

Что такое Battery SoC’ and Battery DoD ?

SoC или состояние заряда батареи - это уровень заряда электрической батареи относительно ее емкости: 0% - разряжена, а 100% - полна.Обратной формой этого показателя является DoD или глубина разряда, при которой 100% пусто, а 0% заполнено.

Термин «батарея SoC» обычно относится к состоянию батареи во время ее использования, тогда как термин «батарея DoD» обычно означает, какая часть общей емкости батареи была разряжена.

Есть несколько способов измерения SoC, применимых к разным типам батарей. Свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом можно измерять химически с помощью ареометра, в то время как большинство других батарей, включая литий-ионные, измеряются по их напряжению холостого хода.

Измерение напряжения батареи необходимо производить после того, как она находилась в состоянии разомкнутой цепи в течение как минимум нескольких часов, в противном случае на показания будут влиять ток и температура батареи, и они будут неточными.

Как можно перезарядить аккумулятор?

Перезаряд происходит, когда аккумулятор заряжается до напряжения выше указанного. Это может быть очень опасным для аккумуляторов вилочного погрузчика и, если его не контролировать, опасно для пользователей.

Правильное зарядное устройство для вашей батареи имеет решающее значение для предотвращения перезарядки; зарядное устройство должно соответствовать аккумулятору с точки зрения выходного напряжения и номинальной мощности в ампер-часах.

В литий-ионных аккумуляторах легче избежать перезарядки, поскольку они могут частично заряжаться или заряжаться с перерывами.

Свинцово-кислотные батареи имеют более сложный процесс зарядки и должны получать полную зарядку каждый раз, когда они вставляются в розетку; по этой причине легче случайно перезарядить.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

в среднем рассчитаны на 1500 циклов зарядки, поэтому не рекомендуется заряжать их частично - вы должны делать это каждый раз полностью, чтобы продлить срок службы аккумулятора.

По тому же принципу, начинать зарядку свинцово-кислотных аккумуляторов, у которых осталось более 50-60% емкости, также является пустой тратой срока службы аккумулятора. Каждый цикл зарядки, независимо от SOC, по-прежнему считается одним циклом. Таким образом, чем чаще заряжается свинцово-кислотный аккумулятор, тем короче срок его службы.

Каковы последствия перезарядки аккумулятора?

В литий-ионном аккумуляторе перезарядка может создать нестабильные условия внутри аккумулятора, повысить давление и вызвать тепловой разгон.

Литий-ионные аккумуляторные блоки

должны иметь схему защиты для предотвращения чрезмерного повышения давления и отключения потока ионов при слишком высокой температуре.

Большинство литий-ионных аккумуляторных батарей также содержат систему управления батареями для контроля их состояния заряда и отключения тока при достижении предела.

Избыточный заряд свинцово-кислотной батареи вызывает коррозию катодов, увеличение расхода воды и повышение температуры внутри батареи. В лучшем случае это приведет к снижению емкости и сокращению срока службы, а в худшем - к тепловому разгоне. Кроме того, свинцово-кислотные батареи могут выделять вредные токсичные газы при перезарядке.

Какой газ выделяется при зарядке свинцово-кислотной батареи?

Во время процесса зарядки свинцово-кислотный аккумулятор выделяет небольшое количество газообразного водорода, что может быть опасно без надлежащей вентиляции аккумулятора.Газообразный водород может быть очень взрывоопасным, если его концентрация в воздухе составляет 4% или более.

Если свинцово-кислотный аккумулятор перезаряжен, он может выделять сероводород, имеющий запах тухлых яиц и очень ядовитый. В низких концентрациях этот аккумуляторный газ может вызвать тошноту, усталость и головокружение, а в больших количествах может быть смертельным.

Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов необходимо снимать с погрузчиков и помещать в отдельную зону для зарядки. Помещение должно хорошо проветриваться для количества заряжаемых аккумуляторов и иметь устройства для контроля уровня газа в воздухе.

Как происходит зарядка литий-ионной батареи?

В литий-ионных батареях

на первом этапе процесса зарядки используется метод постоянного тока и постоянного напряжения. После достижения пикового напряжения аккумулятор переходит в стадию заряда насыщения. В целом этот процесс занимает около 1-2 часов.

Литий-ионные аккумуляторы

можно использовать до тех пор, пока не останется 20% их емкости. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, он не повредит аккумулятор, чтобы использовать возможность подзарядки, что означает, что пользователь может подключить аккумулятор во время обеденного перерыва, чтобы завершить зарядку и завершить смену, не разряжая аккумулятор слишком сильно.

Многие промышленные литий-ионные аккумуляторные батареи поставляются со встроенными в них зарядными устройствами, которые можно подключать к обычным электрическим розеткам, что означает, что аккумуляторы даже не нужно размещать рядом с установленным настенным зарядным устройством для зарядки аккумуляторов.

Могут ли литий-ионные батареи повысить производительность складских помещений?

Если ваш склад работает в несколько смен, упрощенный процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов дает огромное преимущество.Операторы вилочных погрузчиков могут заряжать литий-ионные аккумуляторы во время перерыва или в перерывах между сменами, а аккумуляторы доступны всего через 15–30 минут, чтобы вернуться в рабочее состояние, даже если они еще не полностью заряжены.

Простой оборудования может быть дорогостоящим, поэтому тот факт, что оператор вилочного погрузчика может подключить аккумулятор к зарядному устройству, не тратя время на извлечение разряженного аккумулятора и повторную установку заряженного аккумулятора, повысит производительность склада.

Plus, устраняющий необходимость переносить тысячи фунтов батареи между погрузчиками и зарядными станциями, значительно снижает риски безопасности для рабочих.

Процесс зарядки аккумуляторов может быть сложным, но важно понимать все факторы, чтобы его можно было сделать правильно, чтобы обеспечить долгий срок службы аккумуляторов. Упрощенный процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов делает их гораздо лучшим вариантом с точки зрения безопасности и производительности для компаний, работающих в несколько смен и непрерывно заряжающих аккумуляторы.

Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов при любых температурах

Значимость

Беспокойство о запасе хода является ключевой причиной того, что потребители неохотно выбирают электромобили.Чтобы быть действительно конкурентоспособными с бензиновыми автомобилями, электромобили должны позволять водителям быстро перезаряжаться в любом месте в любую погоду, например, заправлять бензиновые автомобили. Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких или даже низких температурах из-за риска лития, образования металлического лития, что резко сокращает срок службы батареи и даже создает угрозу безопасности. Здесь мы представляем подход, который обеспечивает быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов за 15 минут при любых температурах (даже при -50 ° C), сохраняя при этом значительный срок службы (4500 циклов, что эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль электромобиля). срок службы), что делает электромобили действительно независимыми от погодных условий.

Аннотация

Быстрая зарядка является ключевым фактором массового внедрения электромобилей (EV). Ни один из современных электромобилей не выдерживает быстрой зарядки при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия. Попытки включить быструю зарядку затрудняются из-за компромиссного характера литий-ионной батареи: улучшение возможности быстрой низкотемпературной зарядки обычно идет в ущерб долговечности элементов. Здесь мы представляем управляемую структуру ячеек, которая устраняет этот компромисс и обеспечивает быструю зарядку без литиевого покрытия (LPF).Кроме того, элемент LPF дает начало единой практике зарядки независимо от температуры окружающей среды, предлагая платформу для разработки материалов для аккумуляторов без температурных ограничений. Мы демонстрируем элемент LPF 9,5 А · ч 170 Вт · ч / кг, который можно зарядить до 80% за 15 минут даже при -50 ° C (за пределами рабочего предела элемента). Кроме того, элемент LPF выдерживает 4500 циклов зарядки 3,5-C при 0 ° C с потерей емкости <20%, что в 90 раз увеличивает срок службы по сравнению с базовым обычным элементом и эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль. Срок службы электромобиля в таких экстремальных условиях использования, т.е.е., 3,5-C или 15-минутная быстрая зарядка при отрицательных температурах.

Электромобили (ЭМ) имеют большие перспективы в решении проблем изменения климата и энергетической безопасности (1). Автопроизводители выстраиваются в очередь, чтобы наводнить рынок серией новых электромобилей. Несмотря на быстрое падение стоимости литий-ионных аккумуляторов (LiB) на 80% за последние 7 лет (2), рынок электромобилей по-прежнему составляет лишь около 1% годовых продаж легковых автомобилей. Беспокойство о запасе хода, страх того, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время упоминался как основная причина, по которой потребители неохотно выбирают электромобили.Это беспокойство усугубляется тем фактом, что подзарядка электромобилей обычно занимает гораздо больше времени, чем заправка автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV). Исследования показали, что годовой пробег электромобиля увеличился более чем на 25% в районах, где водители имеют доступ к станциям быстрой зарядки, даже в тех случаях, когда быстрая зарядка использовалась для от 1 до 5% от общего числа случаев зарядки (3).

По всему миру идет захватывающая гонка за увеличение количества и мощности станций быстрой зарядки. BMW, Daimler, Ford и Volkswagen в прошлом году создали совместное предприятие (4), чтобы к 2020 году развернуть 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе с мощностью зарядки до 350 кВт, что позволяет заряжать электромобиль с пробегом 200 миль. (е.г., Chevy Bolt с батареей на 60 кВтч) за ∼10 мин. Honda также объявила о планах по выпуску электромобилей, способных к 15-минутной быстрой зарядке к 2022 году. Совсем недавно Министерство энергетики США объявило о финансировании проектов по разработке технологий сверхбыстрой зарядки (5) с целью дальнейшего увеличения мощности зарядки до 400 кВт.

Критическим препятствием для быстрой зарядки является температура. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с ICEV, быстрая зарядка электромобилей не должна зависеть от региона и погодных условий, так же, как заправка бензинового автомобиля.Зимой на половине территории США средняя температура ниже 0 ° C, как показано на рис. 1 A (6). Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких температурах. Nissan Leaf, например, можно зарядить до 80% за 30 минут (заряд ~ 2 ° C) при комнатной температуре, но потребуется> 90 минут (заряд + . В суровых условиях большая поляризация анода может подтолкнуть потенциал графита ниже порога для литиевого покрытия (8, 9).

Рис. 1.

LPF Быстрая зарядка независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Средняя зимняя температура в США. Половина из них <0 ° C, а 47 состояний <10 ° C. ( B ) Литературные данные о сроке службы при различных температурах, нормированные на срок службы при 25 ° C. Элемент LPF позволяет сместить парадигму от экспоненциальной линии обычных литий-ионных элементов к верхней горизонтальной линии.( C - E ) Схематическое изображение структуры управляемого элемента для быстрой зарядки LPF. Элемент ( C ) первоначально при температуре замерзания ( D ) проходит этап быстрого внутреннего нагрева, чтобы поднять его температуру выше порогового значения (T LPF ), которое устраняет литиевое покрытие до того, как ( E ) станет заряжено. Используется самонагревающаяся конструкция батареи, которая имеет тонкую никелевую фольгу внутри элемента (подробности см. В приложении SI , рис. S4).Эта структура ячейки обеспечивает интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры ячейки (ячейка T ). ( D ) Если элемент T LPF , переключатель замыкается, чтобы направить весь ток в никелевую фольгу для быстрого нагрева (~ 1 ° C / с) без проникновения в материалы анода (без покрытия). ( E ) Как только элемент T > T LPF , переключатель размыкается, и весь ток уходит в электродные материалы для быстрой зарядки без литиевого покрытия.

Основным признаком литиевого покрытия является резкая потеря емкости в дополнение к угрозам безопасности. Действительно, недавние данные показали, что срок службы LiB значительно снижается с температурой. Коммерческий 16-Ач графит / LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 элементов в европейском проекте Mat4Bat потеряли 75% емкости за 50 циклов с зарядкой 1 ° C при 5 ° C (10), хотя одни и те же клетки могут выдержать 4000 циклов при 25 ° C. Schimpe et al. (11) циклически повторяли идентичные элементы графит / LiFePO 4 при разных температурах.Ячейки при 25 ° C потеряли 8% емкости за 2800 эквивалентных полных циклов (EFC). При такой же потере емкости срок службы элементов сокращается до 1800 EFC при 15 ° C, 1400 EFC при 10 ° C и 350 EFC при 0 ° C. На рис. 1 B обобщены некоторые недавние данные (11⇓⇓⇓ – 15) в литературе о сроке службы при различных температурах, нормированные на соответствующий срок службы при 25 ° C. Можно отметить явное экспоненциальное падение жизненного цикла с температурой в соответствии с законом Аррениуса, предложенным Waldmann et al. (12). Даже при низкой температуре 10 ° C срок службы элементов составляет лишь половину от срока службы при 25 ° C.Стоит отметить, что в 47 из 50 штатов США зимой средняя температура ниже 10 ° C (рис. 1 A ). Даже при ежегодном усреднении ( SI Приложение , рис. S1) 23 состояния имеют температуру ниже 10 ° C. Таким образом, даже когда станции быстрой зарядки становятся повсеместными, потребители все еще не могут быстро заправлять свои электромобили в течение большей части года из-за низких температур окружающей среды.

В основном, на литиевое покрытие влияют скорость ионной проводимости и диффузии в электролите, диффузия лития в частицах графита и кинетика реакции на графитовых поверхностях.Все ключевые параметры, управляющие этими процессами, подчиняются закону Аррениуса и существенно падают с температурой ( SI Приложение , рис. S2). Таким образом, подключаемый гибридный аккумулятор EV (PHEV), который может выдерживать заряд 4 ° C без литиевого покрытия при 25 ° C, может допускать заряд только 1,5 ° C при 10 ° C и C / 1,5 при 0 ° C для предотвращения литиевое покрытие ( SI, приложение , рис. S3), которое объясняет длительное время перезарядки современных электромобилей при низких температурах. Для повышения способности к быстрой зарядке исследования в литературе были сосредоточены на улучшении анодных материалов, таких как покрытие графита нанослоем аморфного кремния (16, 17), и разработке новых материалов, таких как титанат лития (18, 19) и графеновые шары (20), и по разработке новых электролитов (21, 22) и добавок (23).LiBs, однако, хорошо известны своей компромиссной природой между ключевыми параметрами (24). Улучшение одного свойства без ущерба для другого всегда нетривиально. Например, электролит с превосходными характеристиками при низких температурах довольно часто нестабилен при высоких температурах (23, 24). Точно так же уменьшение размера частиц и / или увеличение площади поверхности активных материалов Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) способствует быстрой зарядке, но при этом страдает срок службы батареи и безопасность. Чрезвычайно сложно, если вообще возможно, разработать материалы с высокой скоростью зарядки, сохраняя при этом долговечность и безопасность в широком диапазоне температур.

Здесь мы делаем попытку освободить науку об аккумуляторах от компромиссов. В частности, мы представляем структуру ячеек, которой можно активно управлять для достижения быстрой зарядки без литиевого покрытия (LPF) при любых температурах окружающей среды, что позволяет изменить парадигму соотношения между сроком службы и температурой (рис. 1 B ), с корреляция Аррениуса обычных LiB с горизонтальной линией, нечувствительной к температуре. Мы выбрали карманные ячейки емкостью 9,5 Ач с графитовым анодом, LiNi 0.6 Mn 0,2 Co 0,2 O 2 (NMC622) катод и плотность энергии на уровне ячейки 170 Втч / кг для демонстрации. Благодаря структуре ячеек LPF, элемент выдержал 4500 циклов (2806 EFC) зарядки 3,5-C при 0 ° C до достижения 20% потери емкости, что означает, что даже если электромобиль заряжается один раз в день в таких суровых условиях, Элемент LPF имеет срок службы 12,5 лет и может обеспечить дальность действия> 280 000 миль (при условии, что 1 EFC ≈ 100 миль). Это уже выходит за рамки гарантии большинства ICEV.Для сравнения, обычный LiB-элемент с идентичными материалами батареи в тех же условиях тестирования (заряд 3,5 ° C при 0 ° C) потерял 20% емкости всего за 50 циклов и 23 EFC.

Кроме того, в этой работе подчеркивается концепция унифицированной практики зарядки, независимой от температуры окружающей среды. Для электромобилей профили разряда батареи зависят от поведения водителей, но протоколы зарядки определяются производителями. Сегодняшние электромобили должны снижать скорость зарядки при понижении температуры из-за опасений по поводу литиевого покрытия.С помощью элемента LPF зарядка при любой температуре окружающей среды превращается в зарядку при оптимальной температуре всего за десятки секунд. Как показано здесь, элемент LPF может быть заряжен до 80% состояния заряда (SOC) за 15 минут даже при температуре окружающей среды -50 ° C. Более того, кривая зарядного напряжения при -50 ° C почти такая же, как и при 25 ° C. Эта унифицированная практика зарядки может значительно упростить управление аккумулятором и продлить срок его службы.

Кроме того, ячейка LPF предлагает платформу для материаловедов.Постоянной проблемой при исследовании материалов для аккумуляторов является поиск материалов, которые могут поддерживать хорошие характеристики в широком диапазоне температур. Поскольку температурные ограничения снимаются с ячейками LPF, исследователям нужно только оптимизировать характеристики материала около одной температуры.

Результаты и обсуждение

Управляемая структура ячеек для быстрой зарядки LPF.

Ключевая идея быстрой зарядки LPF состоит в том, чтобы заряжать элемент всегда выше температуры, которая может препятствовать образованию литиевого покрытия, далее именуемой температурой LPF (T LPF ).Как показано на рис. 1 C - E , этап быстрого внутреннего нагрева (рис. 1 D ) добавляется перед этапом зарядки (рис. 1 E ), чтобы убедиться, что аккумулятор заряжен при температура выше T LPF .

Быстрый нагрев необходим для быстрой зарядки LPF, так как общее время зарядки, включая нагрев, ограничено от 10 до 15 минут. Обычные методы нагрева батареи с использованием внешних нагревательных устройств или систем управления температурой ограничены внутренним конфликтом между скоростью нагрева и однородностью (т.е., высокая скорость нагрева приводит к неоднородной температуре и локализованному перегреву вблизи поверхности ячейки), как подробно описано в ссылке. 25; таким образом, их скорость нагрева ограничена ~ 1 ° C / мин (26), что означает, что нагрев от -20 ° C до 20 ° C уже займет> 40 мин. Добавляя время на зарядку, он уже не в категории быстрой зарядки. В этой работе мы используем самонагревающуюся структуру LiB (27), которая имеет тонкую никелевую (Ni) фольгу, встроенную в ячейку, которая может создавать огромный и равномерный нагрев, как показано в приложении SI , рис.S4. Фольга Ni является неотъемлемым компонентом отдельной ячейки вместе с электродами и электролитом. Он служит внутренним нагревательным элементом, а также внутренним датчиком температуры, поскольку его электрическое сопротивление линейно зависит от температуры ( SI Приложение , рис. S5). Кроме того, введение никелевой фольги добавляет только 0,5% веса и 0,04% стоимости по сравнению с обычным одиночным элементом LiB.

Стратегия управления, основанная на структуре самонагревающейся батареи, разработана в этой работе, как показано на рис.1 C - E . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T cell ). Если T элемент LPF (Рис. 1 D ), постоянное напряжение, близкое к напряжению холостого хода элемента (OCV), применяется вместе с замыканием переключателя между положительной клеммой и клеммой активации. Поскольку напряжение элемента ≈ OCV, весь ток от источника заряда направляется к никелевой фольге, чтобы генерировать огромное внутреннее тепло, не проникая в материалы анода (без литиевого покрытия).Как только элемент T > T LPF (рис. 1 E ), переключатель открывается для перехода из режима нагрева в режим зарядки, при этом ток подается на материалы электродов без какого-либо риска литиевого покрытия.

Для демонстрации быстрой зарядки LPF мы выбираем карманные элементы 9,5 Ач / графит / NMC622. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см 2 и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Выбор скорости заряда и T LPF основывается на результатах моделирования потенциала осаждения Li (LDP) в приложении SI , рис.S3 с использованием откалиброванной модели LiB. В общем, T LPF должна иметь минимальную температуру, при которой можно избежать образования лития при данной скорости заряда. Хотя более высокая температура всегда способствует устранению литиевого покрытия, она также может ускорить рост межфазной границы твердого электролита (SEI). В этой работе скорость заряда 3,5 C и T LPF ∼25 ° C выбраны на основе приложения SI , рис. S3 C .

На рис.2 показан общий процесс быстрой зарядки LPF 9.Элемент емкостью 5 Ач при экстремальной температуре −40 ° C. Перед испытанием полностью разряженный элемент выдерживали в климатической камере при -40 ° C на> 12 часов. Чтобы гарантировать, что элемент не был заряжен (без литиевого покрытия) на этапе нагрева, при включении переключателя было приложено напряжение 3,15 В, что немного ниже, чем OCV (~ 3,2 В) (см. Рис. 1 D ). ). Таким образом, весь входной ток проходил через никелевые фольги (рис. 2 E ) автоматически, не затрагивая материалы батареи.Поскольку напряжение ячейки было установлено на 50 мВ ниже, чем OCV, ячейка слегка разряжалась на этапе нагрева, которая постепенно увеличивалась до ~ 0,2 ° C к концу, когда ячейка стала нагретой (рис. 2 F ). Тем не менее, общая разрядная емкость на этапе нагрева составляет только 6,85 × 10 -3 Ач или 0,072% емкости элемента и, следовательно, несущественна. Благодаря сильному току, протекающему через Ni-фольгу, ячейка быстро нагревается (рис. 2 C ).Когда температура поверхности достигала 20 ° C, выключатель открывался для завершения этапа нагрева, а затем ячейка отдыхала 10 с для релаксации внутреннего температурного градиента. Как показано на рис. 2 G , температура Ni-фольги, самая высокая температура внутри ячейки, была <45 ° C во время нагрева и быстро падала и достигала температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. Это означает, что быстрый нагрев не вызывает никаких опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим заряда с использованием протокола постоянного тока постоянного напряжения (CCCV) при токе 3.5 C ограничено напряжением отсечки 4,2 В до достижения 80% SOC. Весь процесс занял 894,8 с (14,9 мин), включая 61,6 с нагрева и 10 с термической релаксации.

Рис. 2.

Быстрая 15-минутная зарядка при −40 ° C. ( A - D ) Эволюция ( A ) напряжения элемента, ( B ) разделение тока между никелевой (Ni) фольгой и элементом, ( C ) температура поверхности и ( D ) SOC . Первоначально ячейка была при 0% SOC и -40 ° C, с OCV ~ 3.2 В. Весь процесс зарядки был разделен на этап быстрого внутреннего нагрева, за которым следовала 10-секундная пауза, а затем зарядка CCCV (3,5 ° C, 4,2 В) до достижения 80% SOC. ( E и F ) Интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой и материалами электродов в процессе нагрева. ( E ) Весь входной ток проходит через Ni-фольгу, а ( F ) незначительный ток проходит через анодные материалы (без покрытия) на этапе нагрева. ( G ) Эволюция температуры поверхности и фольги Ni во время стадий нагрева и релаксации.

Для сравнения идентичную базовую ячейку заряжали без этапа быстрого нагрева с использованием того же протокола CCCV при -40 ° C ( SI Приложение , рис. S6). Из-за чрезвычайно медленной электрохимической кинетики и транспорта электролита и, следовательно, высокого внутреннего сопротивления, напряжение элемента достигло предела 4,2 В сразу после зарядки ( SI Приложение , рис. S6 A ), а пусковой ток составлял всего ∼0,2 C. ( SI Приложение , рис. S6 B ).Зарядный ток медленно восстанавливался при медленном повышении температуры ( SI Приложение , рис. S6 C ) из-за ограниченной скорости тепловыделения. Максимальный зарядный ток составлял всего 0,85 C, и потребовалось 115 минут для достижения 80% SOC, что в 7,7 раза больше, чем у элемента LPF.

Как правило, при очень низких температурах можно разработать батарею, которая разряжает разумный процент емкости; однако зарядить аккумулятор с разумной скоростью практически невозможно.Это происходит из-за асимметричной электрохимической кинетики зарядки по сравнению с разрядкой, преобладающей в электрохимии. С другой стороны, приложения обычно требуют более высокой скорости зарядки для экономии времени. Представленный здесь способ нагрева-заряда с помощью самонагревающейся конструкции батареи позволяет разделить процессы заряда и разряда за счет быстрой модуляции внутренней температуры; таким образом, он способен преодолевать более слабую электрохимическую кинетику зарядки, чем разряд, для широкого набора электрохимических ячеек накопления энергии.

Унифицированная кривая зарядки, не зависящая от температуры окружающей среды.

На Рис. 3 сравнивается зарядка элемента LPF на 9,5 Ач при различных температурах окружающей среды (−50 ° C, −40 ° C, −20 ° C и 0 ° C). Протокол испытаний был одинаковым для всех случаев: ( i ) полная разрядка при 25 ° C, а затем охлаждение до температуры испытания; ( ii ) быстрое нагревание путем приложения постоянного напряжения 3,15 В до тех пор, пока температура поверхности не станет> 20 ° C; ( iii ) 10-секундное расслабление; и ( iv ) зарядка CCCV (3.5 C, 4,2 В) до 80% SOC. Видно, что кривые напряжения практически одинаковы во всех случаях, несмотря на огромную разницу в температуре окружающей среды (рис. 3 A ). Нагрев ячейки с -50 до 20 ° C (∼1 ° C / с) занял 69 с, а от 0 ° C до 20 ° C (0,66 ° C / с) - 30,2 с. Более быстрый нагрев при более низкой температуре окружающей среды выиграл от снижения сопротивления фольги Ni с повышением температуры ( SI Приложение , рис. S5), что привело к более высокому току нагрева при более низкой температуре (рис. 3 C ).Даже в случае -50 ° C этап нагрева составлял только 7,6% времени всего процесса. Общее время зарядки элемента до 80% SOC было одинаковым во всех четырех случаях (рис. 3 B , 905,7 с при –50 ° C и 863,2 с при 0 ° C, разница ∼5%). Таким образом, жесткие ограничения температуры окружающей среды на время зарядки, как и во всех современных электромобилях, полностью снимаются с помощью элемента LPF.

Рис. 3.

Единая практика зарядки вне зависимости от температуры окружающей среды. ( A ) Кривые напряжения элемента LPF при различных температурах окружающей среды.Во всех тестах элемент прошел этап быстрого нагрева при 3,15 В до достижения температуры поверхности> 20 ° C, выдерживался в течение 10 с, а затем заряжался постоянным током 3,5 ° C с последующим постоянным напряжением 4,2 В. до достижения 80% SOC. ( B ) Сводка времени нагрева и общего времени, демонстрирующая, что ограничения температуры окружающей среды на время зарядки устранены. ( C и D ) Эволюция ( C ) тока через никелевую фольгу и ( D ) температуры поверхности ячейки на этапе быстрого нагрева.

Температура как поверхности, так и Ni-фольги достигла ∼27 ° C после 10-секундной термической релаксации ( SI Приложение , рис. S7) во всех четырех случаях, что указывает на то, что начальная точка зарядки аналогична. Таким образом, кривые напряжения при последующей зарядке CCCV были очень похожими ( SI Приложение , рис. S8 A ). Немного более высокое напряжение при более низкой температуре окружающей среды было приписано большему перепаду температуры во время зарядки ( SI Приложение , рис. S8 B ) из-за сильного охлаждения в климатической камере.При улучшении теплоизоляции и управления можно ожидать, что кривая зарядки станет унифицированной и независимой от температуры окружающей среды. Унифицированная кривая заряда может значительно упростить систему управления батареями и повысить точность оценки состояния батареи (SOC, состояние здоровья и т. Д.) И, следовательно, чрезвычайно полезна для электромобилей.

Следует отметить, что современные электромобили, в принципе, также могут быть нагреты до> T LPF перед зарядкой, используя системы терморегулирования вне отдельных элементов; однако изначально низкая скорость внешнего нагрева (<1 ° C / мин) не позволяет решить проблему быстрой зарядки.Кроме того, поскольку автомобильные элементы становятся все больше и толще для снижения стоимости производства, скорость внешнего нагрева должна быть дополнительно снижена, чтобы избежать локального перегрева на поверхности элемента (25). Наш метод вставки никелевой фольги обеспечивает быстрый и равномерный внутренний нагрев независимо от размера ячейки (равномерность нагрева может быть гарантирована добавлением нескольких никелевых фольг). Этот метод также может быть применен к ячейкам другой геометрии. Например, фольга Ni может образовывать оболочку, обернутую вокруг первой половины цилиндрического рулона с желе перед намоткой второй половины, таким образом размещая ее прямо в середине рулона с желе для цилиндрической ячейки.Несколько примеров конструкций из никелевой фольги для различных типов и форм-факторов ячеек можно найти в ссылке. 28. Кроме того, поток тока внутри элемента между нагревательным элементом и материалом батареи активно регулируется, обеспечивая плавное переключение между режимом быстрого нагрева и режимом зарядки в зависимости от температуры элемента. Даже в крайнем случае -50 ° C, когда электролит уже перестает работать, элемент LPF все еще заряжается до 80% SOC за 15 минут, как и при комнатной температуре, что еще раз демонстрирует свой потенциал сделать электромобили по-настоящему региональными и погодными. -независимый.

Значительный срок службы за счет отсутствия литиевого покрытия.

Далее мы демонстрируем устранение литиевого покрытия в элементе LPF. Зарядка ячейки LPF при 0 ° C сравнивается с двумя стандартными ячейками базовой линии с идентичными материалами и электродами, которые были заряжены по тому же протоколу CCCV (3,5 C, 4,2 В) до 80% SOC без этапа нагрева. Одна базовая ячейка была протестирована при 0 ° C, а другая - при 25 ° C. Как показано на Рис. 4 A , кривая напряжения ячейки LPF при 0 ° C после этапа быстрого нагрева почти перекрывалась с кривой напряжения базовой ячейки при 25 ° C, с очень небольшой разницей из-за разницы в температуре. (Рис.4 В ). Однако базовая ячейка при 0 ° C имеет гораздо более высокое напряжение, чем две другие ячейки из-за ее высокого внутреннего сопротивления. Все три элемента были оставлены в разомкнутой цепи после зарядки до 80% SOC, и кривые напряжения во время релаксации сравниваются на рис. 4 C . Четкое плато напряжения наблюдается на кривой релаксации базовой ячейки при 0 ° C, что приводит к локальному пику на кривой дифференциального напряжения (рис. 4 D ). Плато напряжения и пик дифференциального напряжения указывают на появление металлического лития, и, таким образом, являются четким доказательством того, что покрытие литием произошло в 3.5-C зарядка базового элемента при 0 ° C. В двух других случаях напряжение элемента быстро падает до относительно стабильного значения, что указывает на отсутствие литиевого покрытия во время зарядки.

Рис. 4.

Замечательный срок службы элемента LPF. Сравнение базовых ячеек при 0 ° C и 25 ° C с ячейкой LPF при 0 ° C с точки зрения ( A ) напряжения и ( B ) температуры поверхности во время зарядки и ( C ) напряжения и ( D) ) производная напряжения по времени во время релаксации ячейки после зарядки.Все элементы были заряжены током 3,5 ° C, ограниченным 4,2 В, до достижения 80% SOC. Плато напряжения в C и локальный пик дифференциального напряжения в D базовой ячейки при 0 ° C указывают на отрыв металлического лития. ( E ) Сохранение емкости в зависимости от количества циклов для элемента LPF и циклической смены базового элемента с зарядкой 3,5 ° C при температуре окружающей среды 0 ° C.

Отсутствие литиевого покрытия значительно увеличило срок службы при низких температурах. Велоспорт-тесты проводились с 3.Зарядка 5-C до 4,2 В с последующим 2-минутным перерывом и затем разряд 1-C до 2,7 В. Для элемента LPF этап быстрого нагрева при постоянном напряжении 3,4 В выполнялся в начале каждого цикла и завершался. при Т ячейка > 20 ° С с последующей 10-секундной релаксацией. Ячейки полностью охлаждались до 0 ° C после этапа разряда перед началом следующего цикла. Изменения напряжения и температуры во время цикла приведены в приложении SI , рис. S9 (один цикл) и в приложении SI , рис.S10 (10 циклов). Пропускная способность каждого цикла указана в Приложении SI , рис. S11. Циклические испытания периодически приостанавливались для калибровки емкости элемента с эталонным тестом производительности (RPT) при 25 ° C ( SI Приложение , рис. S12). Измеренная разрядная емкость C / 3 в RPT была нанесена на график зависимости от номера цикла на рис. 4 E как для базовой линии, так и для ячеек LPF. Базовая ячейка потеряла 20% емкости всего за 50 циклов, тогда как ячейка LPF выдержала 4500 циклов при том же сохранении емкости, что составляет 90-кратное увеличение срока службы.Даже если водители электромобилей выполняют быструю зарядку один раз в день, 4500 циклов означают 12,5 года работы. При преобразовании в EFC (т. Е. Общая емкость, разряженная во время цикла, деленная на номинальную емкость 9,5 Ач), было получено 2806 EFC при сохранении емкости 80%, что в 122 раза больше по сравнению с базовой ячейкой (23 EFC). Предполагая 100-мильный запас хода на EFC (например, BMW i3), 2806 EFC указывают на срок службы> 280 000 миль, что намного превышает гарантии современных ICEV.

Две вышеуказанные ячейки на рис.4 E далее сравнивают с дополнительными базовыми клетками, один цикл подвергался циклам при 10 ° C, а другой - при 22 ° C. Эти два базовых элемента изначально были при 20% SOC и заряжались и разряжались фиксированным объемом, равным 60% SOC свежего элемента в каждом цикле, с CCCV (3 C, 4,2 В) зарядом и 1-C разрядом. Поскольку протоколы циклирования несколько отличаются, сохранение емкости этих ячеек показано в зависимости от EFC на рис. 5 A . Отметим, что элемент с зарядкой 3-C при 10 ° C продержался всего 317 EFC при сохранении 80% емкости.Более того, элемент LPF при 0 ° C имеет даже более длительный срок службы, чем элемент базового уровня при 22 ° C. Причина двоякая. Во-первых, поскольку литиевое покрытие исключается, доминирующим механизмом старения является рост SEI, который зависит в первую очередь от температуры. Как показано в Приложении SI , рис. S10 B , разрядная и охлаждающая части элемента LPF были ниже 22 ° C. Средняя температура ячейки LPF в 10 циклах, показанных в приложении SI , рис. S10 B , составляет 11,6 ° C, что намного ниже средней температуры базовой ячейки (~ 28 ° C).Таким образом, рост SEI в клетке LPF в целом был медленнее, чем в базовой клетке. Во-вторых, базовая ячейка заряжалась на фиксированную величину емкости в каждом цикле, которая равнялась 60% SOC свежей ячейки, но становилась больше, чем 60% SOC по мере разрушения ячейки. Таким образом, базовый элемент был заряжен до более высокого SOC, чем элемент LPF (заряжен до 4,2 В, без ступени постоянного напряжения) на поздней стадии цикла. Более высокий SOC также приведет к более быстрому росту SEI.

Рис. 5.

Смена парадигмы влияния температуры окружающей среды на старение клеток.( A ) Сравнение срока службы элемента LPF при зарядке 3,5 ° C при 0 ° C с одинаковыми базовыми элементами при разных температурах. ( B ) Скорость старения в зависимости от обратной температуры четырех ячеек в A . Скорость старения определяется как отношение потери мощности (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале. ( C ) Скорость старения HE ячеек следующего поколения (с толстым электродом) в литературе. Оптимальная температура зарядки HE EV ячеек сдвигается с ∼25 ° C для существующих PHEV ячеек до ∼40 ° C до 50 ° C.

Рис. 5 B дополнительно сравнивает скорость старения в четырех вышеупомянутых случаях, которая определяется как отношение потери емкости (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале в зависимости от обратной температуры. Для базовых ячеек логарифм скорости старения в зависимости от 1 / T может быть описан линейной линией, подтверждающей, что скорость старения обычных LiBs следует закону Аррениуса (12). Энергия активации оценивается в -1,37 эВ, что находится в пределах диапазона, указанного в литературе (29).Мы отмечаем, что скорость старения ячейки LPF при 0 ° C была снижена на два порядка по сравнению с базовой стандартной ячейкой и стала близкой к скорости старения базовой ячейки при комнатной температуре, что указывает на сдвиг парадигмы в соотношении между скорость старения и температура окружающей среды.

LPF Быстрая зарядка высокоэнергетических элементов при повышенной температуре.

Для будущих электромобилей дальнего действия требуется плотность энергии на уровне системы не менее 225 Втч / кг, что требует плотности энергии на уровне элементов> 300 Втч / кг (30).Типичный подход к увеличению плотности энергии на уровне ячейки - увеличение площади поверхности (и толщины) электродов. Однако элементы с более толстыми анодами более склонны к нанесению литиевого покрытия из-за большего сопротивления переносу электролита. Недавняя работа (30) показала, что ячейка-пакет из графита / NMC622 с поверхностной нагрузкой 3,3 мАч / см 2 , ∼1,8 × ячейки PHEV в этой работе, потеряла 22,5% емкости за 52 цикла заряда 1,5-C при 30 ° С. После демонтажа старого элемента было обнаружено большое количество металлического лития, что указывает на то, что покрытие литием может быть серьезной проблемой в элементах с высокой энергией (HE) даже при комнатной температуре.

Возможный подход к устранению литиевого покрытия в элементах HE состоит в дальнейшем увеличении температуры зарядки. Как показано в приложении SI , рис. S2, увеличение с 25 ° C до 45 ° C увеличивает кинетику интеркаляции лития на 5,6 раза, коэффициент диффузии лития в графите на 2,4 раза и проводимость электролита на 1,4 раза, и, следовательно, может способствовать снижению содержания лития. покрытие. SI Приложение , рис. S13 показывает прогнозируемый моделью LDP ячейки HE, имеющей 1,65-кратную емкость площади и толщину ячейки PHEV в этой работе.Отметим, что максимальный ток заряда при 25 ° C без литиевого покрытия падает с 4 C для элемента PHEV ( SI, приложение , рис. S3 C ) до ∼1,5 C для элемента HE ( SI, приложение , рис. .S13 A ) из-за увеличенной толщины электрода. Если заряжать элемент при 45 ° C, максимальная скорость заряда HE-элемента может быть увеличена до 3 C. Действительно, недавние исследования показали, что элементы с толстыми электродами имеют более длительный срок службы при 40-45 ° C, чем при температуре от 40 ° C до 45 ° C. комнатная температура.Группа Йоссена (31) сообщила, что ячейка графит / LiCoO 2 с анодом толщиной 77 мкм (1,6 × настоящей работы) потеряла 30% емкости за 250 циклов с зарядкой 1 ° C при 25 ° C, но потеряла только Емкость 5% после 400 циклов при 40 ° C. Аналогичным образом группа Винтера (32) обнаружила, что срок службы элемента из графита / NMC532 с анодом толщиной 77 мкм увеличился с 400 циклов при 20 ° C до 1100 циклов при 45 ° C при сохранении емкости 70%. Совсем недавно исследователи из Samsung (20) разработали элемент HE с возможностью зарядки 5 ° C при 60 ° C.

Рис. 5 C сравнивает скорость старения вышеупомянутых клеток HE с клетками PHEV в этой работе. Также добавляется скорость старения ячейки PHEV при 45 ° C. Как сообщается в литературе (33), старение клеток является комбинированным эффектом роста SEI и литиевого покрытия. Для элемента PHEV температура 25 ° C является достаточно высокой, чтобы предотвратить образование литиевого покрытия при скорости заряда 3,5 ° C ( SI Приложение , рис. S3). Дальнейшее повышение температуры до 45 ° C уменьшило срок службы до 613 EFC при сохранении емкости 80% из-за более быстрого роста SEI.Для клеток HE, однако, полезно работать при температуре от ~ 40 ° C до 45 ° C из-за уменьшения литиевого покрытия, которое превосходит негативные последствия более быстрого роста SEI. Следовательно, работа при более высоких температурах может быть многообещающим подходом для увеличения срока службы клеток HE. В этом отношении нагревание было бы важным шагом для зарядки элементов HE. Учитывая изначально низкую скорость внешнего нагрева, нынешний элемент LPF имеет большие перспективы для электромобилей следующего поколения, поскольку он может практически мгновенно модулировать внутреннюю температуру элемента по запросу.

В широком смысле научное достоинство описанного здесь элемента LPF состоит в том, что он предлагает общее решение для разделения кинетики заряда и разряда в науке об аккумуляторах и для ускорения зарядки аккумулятора без необходимости использования новых материалов или химии. Он также предлагает платформу для материаловедов для разработки более совершенных материалов для аккумуляторов без учета температуры. Что касается приложений, настоящая работа навсегда устраняет давние ограничения температуры окружающей среды на зарядку аккумулятора, позволяя использовать широкий спектр новой электроники и устройств, таких как всепогодные смартфоны, наружные роботы, дроны и микроспутники, работающие на больших высотах, а также новые приложения, такие как спасение машин, застрявших в снегу, и исследования в космосе и Арктике.

Методы и материалы

Пакетные ячейки LPF на 9,5 Ач были изготовлены с использованием NMC622 в качестве катода, графита в качестве анода и 1 M LiPF 6 , растворенного в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонате (EMC) (3: 7) по массе) + 2 мас.% виниленкарбоната (ВК) в качестве электролита. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см 2 и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Каждая ячейка LPF имеет два куска никелевой фольги, залитых внутрь, как показано в приложении SI , рис.S4. Каждая Ni-фольга толщиной 30 мкм и сопротивлением 80,2 мОм при 25 ° C покрыта тонким (28 мкм) полиэтилентерефталатом для электрической изоляции и зажата между двумя односторонними анодными слоями. Две трехслойные сборки уложены друг на друга внутри ячейки и соединены параллельно, причем одна сборка расположена на 1/4 толщины ячейки, а другая - на 3/4 толщины ячейки от верхней поверхности ячейки. Более подробную информацию о материалах ячеек, изготовлении, структуре и испытаниях можно найти в приложении SI , Методы и материалы .

Благодарности

Финансовая поддержка Департамента охраны окружающей среды Пенсильвании; EC Power, LLC; и Министерство энергетики США присуждено награду DE-EE0006425. Мы также благодарны EC Power за предложение программного обеспечения AutoLion, которое было приобретено Gamma Technologies.

Сноски

  • Вклад авторов: X.-G.Y., G.Z., and C.-Y.W. спланированное исследование; X.-G.Y., G.Z. и S.G. проводили исследования; X.-G.Y. и С.-Y.W. проанализированные данные; и X.-G.Y. и C.-Y.W. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

  • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

  • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1807115115/-/DCSupplemental.

Протоколы зарядки литий-ионных аккумуляторов и их влияние на срок службы - экспериментальное исследование с различными батареями 18650 большой мощности

Основные моменты

Сравнение различных протоколов зарядки в идентичных условиях окружающей среды.

Срок службы при непрерывной и импульсной зарядке с различными токами и напряжениями.

Три типа клеток обнаруживают различия между химическим составом клеток и производителями.

Влияние протоколов зарядки на использование емкости, время зарядки и эффективность.

Рекомендации по оптимизированным стратегиям зарядки.

Аннотация

В этом документе представлен обзор стратегий зарядки литий-ионных аккумуляторов.Более того, выполняется подробная оценка стратегий зарядки на основе обширного экспериментального исследования с тремя различными типами ячеек.

Результаты экспериментов показывают, что влияние зарядных токов и зарядных напряжений на срок службы может заметно различаться для разных литий-ионных аккумуляторов. Как правило, на срок службы больше влияют большие токи зарядки, чем высокие токи разряда. Различные протоколы ускоренной зарядки показали, что высокие токи зарядки могут ухудшить срок службы не только при высоком уровне заряда (SoC), но и при очень низком уровне SoC.Наши исследования импульсной зарядки показывают, что литий-ионные элементы выдерживают зарядные импульсы высокого тока или высокого напряжения без какого-либо ухудшения срока службы, когда длительность импульсов остается небольшой, а средние значения тока и напряжения значительно ниже. Для импульсов длительностью менее 1 с продолжительность цикла была одинаковой для импульсной и непрерывной зарядки с одинаковыми средними токами зарядки и одинаковой глубиной цикла.

В этом документе также представлено влияние зарядных токов и зарядных напряжений на использование емкости, время зарядки и эффективность для поддержки процесса разработки оптимизированных протоколов зарядки для практических приложений.

Сокращения

CCCV

постоянный ток постоянное напряжение

CCPC

постоянный ток + импульсная зарядка

EIS

спектроскопия электрохимического импеданса

LFP

LiFePO 4 , литий-железо фосфат

MSCC

протоколы многоступенчатой ​​зарядки

Быстрая зарядка

Ускоренная зарядка

Импульсная зарядка

Старение батареи

Срок службы

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2016 Elsevier Ltd.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *