Ресурс литий ионного аккумулятора: Могут ли производители увеличить срок службы литий-ионного

Сроки службы литиевых аккумуляторов Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

При выработке ресурса аккумуляторной батареи ее разрядная емкость падает до значения, установленного технической документацией, и АКБ подлежит замене. Но устанавливаемый производителями ресурс источника энергии – это приблизительное значение, которое на практике может отклоняться в сторону увеличения или уменьшения.

При правильном уходе химические источники энергии служат примерно в 15 раз дольше, чем при несоблюдении правил их использования. Ответ на вопрос, какой срок службы литий-ионных аккумуляторов, зависит от ряда факторов. В их числе:

• электрохимический состав накопителей – у приборов типа LiCoO2 или LiMn2O4 число циклов разряда-заряда составляет 500–1000, а у АКБ с типом химии LiFePO4 – 1000–2000 и даже 3000;
• соблюдение правил их эксплуатации и хранения;
• температурные условия при хранении и использовании АКБ;
• режим заряда;
• глубина разряда.

Литий-ионные накопители энергии имеют малый саморазряд, высокий ресурс, большую удельную емкость. Их износ фиксируется при падении емкости до 80% от исходного значения. Но на практике приборы с емкостью ниже 80% успешно эксплуатируются, хотя длительность их работы значительно уменьшается. Ниже приведены рекомендации, позволяющие существенно продлить жизненный цикл Li-ion батареи и избежать дополнительных расходов на преждевременное приобретение новой АКБ.

Способы расширения ресурса литий-ионных батарей

1. Чтобы продлить срок годности литиевых аккумуляторов, нужно: Не допускать их полного разряда – при неоднократном глубоком разряде высокими токами химические источники тока (ХИТ) ускоренно теряют способность запасать требуемый объем энергии, иначе Вам понадобится восстановление работоспособности аккумулятора. Современные АКБ всегда оснащаются специальными схемами, контролирующими разрядный процесс – BMS или PCB. При выходе значения тока за допустимые границы электроника отключает накопитель.
   Если же батарея полностью разрядилась, нужно зарядить ее, как минимум, на 40%.
2. Избегать чрезмерного заряда и не оставлять подключенным к зарядному устройству на долгое время после того как процесс зарядки осуществлен.
3. Использовать подходящее зарядное устройство даже при незначительном превышении рекомендуемого напряжения заряда срок службы Li-ion аккумуляторов сокращается. К тому же, для АКБ предпочтителен режим медленной зарядки и разрядки. Использование в интенсивном режиме сокращает рабочий ресурс накопителей. Поэтому лучшими считаются зарядные устройства с фиксацией напряжения. Также можно использовать ЗУ, отсекающие минимальный ток заряда.
4. Соблюдать рекомендованный температурный режим работы устройств – от -20 до +50 °С, в идеале около +20 °С. Избегать перегрева и переохлаждения.
5. Заряжать накопители при температуре от +5 до +20 °C.
6. Хранить их заряженными на 40–50% при температуре от 0 до +10 °С. Если оставить прибор храниться в почти разряженном состоянии, из-за вероятного саморазряда его емкость может снизиться до критического значения, и в дальнейшем зарядить батарею уже не удастся. Длительное хранение приводит к снижению емкости устройства, поэтому покупать накопители энергии впрок нецелесообразно.

Соблюдение этих простых правил поможет избежать преждевременного старения Li-ion батареи и надолго сохранить ее в нормальном работоспособном состоянии.

Эффективные приемы по продлению жизни Li-ion аккумулятора

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов, производители электромобилей снижают рабочие пороги напряжения элементов батарей. В результате, уменьшается запасаемая емкость, но при этом значительно увеличивается ресурс. Еще один способ увеличить жизненный цикл аккумуляторной батареи – снизить нагрузку на нее путем увеличения емкости. Чем больше элементов в параллели АКБ, тем меньшая сила тока разряда приходится на каждый элемент. Третий способ – снижение управление температурой сборки элементов. Сборка АКБ в холдерах и получаемые проветриваемые полости вокруг элементов снижают тепловую нагрузку на АКБ и влияют на ресурс АКБ. Объединив данные подходы при сборке АКБ можно получить многократное увеличение ресурса (циклов заряд-разряд) АКБ при тех же равных элементах.

Также для увеличения длительности эксплуатации АКБ успешно используются программируемые платы управления BMS, или smart bms (PCB), позволяющие с приложения под Android или ios настраивать требуемые (в нашем случае щадящие) пороги напряжения. «ВольтБайкс аккумуляторы» устанавливает программируемые платы управления аккумулятором по запросу заказчиков. Ответ на вопрос, сколько составит срок годности литий-ионного аккумулятора в конкретном случае, зависит и от характеристик самого ХИТ, и от особенностей его эксплуатации. Подробнее о правилах использования литиевых АКБ читайте здесь.

Как продлить жизнь (ресурс) литий-ионной аккумуляторной батареи / Хабр

Долго думал, как преподнести материал, и, в конце концов, решил, что его нужно подавать в виде отдельных фактов, касающихся жизни реальных литий-ионных батарей. Так что начнем…

Литий-ионные аккумуляторы больше страдают от процесса «старения» (ухудшение характеристик на протяжении времени), чем от циклирования.

Это означает, что большинство аккумуляторов не может служить свыше 5 лет при обычных условиях эксплуатации (оптимистичный прогноз). Мораль такова — если покупаете литий-ионный аккумулятор, внимательно относитесь к дате изготовления — при полугодовой давности вы потеряете 10% от заявленого ресурса.

Старение батарей ускоряется при работе или хранении в жарких условиях – смотри таблицу для литий-кобальтовых аккумуляторов (для литий-марганцевых и литий-железных батарей результаты немного лучше)

Деградация характеристик литий-кобальтовых аккумуляторов всвязи с температурой хранения

Температура, °C	40% уровень заряда (рекомендуемый уровень заряда)	100% уровень заряда (поддерживается пользователями при работе)
0°C	98% через 1 год	94% через 1 год
25°C	96% через 1 год	80% через 1 год
40°C	85% через 1 год	65% через 1 год
60°C	75% через 1 год	60% через 3 месяца

Учитывая, что стандартом определения момента завершения жизни аккумулятора производителем является снижение его емкости до 80% от номинальной понятно, откуда появились 5 лет жизни (когда аккумулятор работает при температуре не выше 25°C и большинство времени находится в полуразряженном состоянии). Поэтому следует правильно огранизовывать охлаждение батарей при эксплуатации и заряжать аккумулятор непосредственно перед использованием, добиваясь среднего уровня заряда в процессе эксплуатации близкого к 40% (проверено на практике – при заряде батареи моего мобильного раз в 3-4 дня до 80-90% емкости и ношении его во внешнем кармане одежды – срок жизни уже достиг более 4х лет при сохранности емкости).

Следует учитывать температурный фактор и при эксплуатации литий-ионных аккумуляторов — разряд может осуществляться и при низких температурах (в зависимости от химии аккумулятора от -25°C до -10°C), но заряд должен производиться только при положительной температуре батареи.

Количество циклов заряда-разряда не так сильно влияют на ресурс литий-ионной батареи, как возраст и температурный фактор – при коротком времени циклирования (непрерывные циклы заряда/разряда током 0,5C ) и хорошем охлаждении литий-ионная батарея может выдержать от 1000 циклов (для литий-кобальтовых) до 2000-3000 циклов (для литий-марганцевых).

Превышение конечного напряжения после заряда с 4,2В до 4,35В повышает емкость аккумулятора на 10-15% при снижении времени жизни в 4-6 раз.

BMS (Battery Manegement System) — система управления батареей — электронный прибор, который обязательно ставится на каждую аккумуляторную банку в батарее для контроля процесса заряда-разряда батареи, продвинутые BMS также имеют логику для определения температуры, количества зарядов/разрядов, оценку вероятности выхода из строя аккумулятора. В основном, задача BMS заключается в контроле напряжения на аккумуляторе и шунтировании токов при достижении граничных пределов, также может контролироваться температура элемента. Для избегания выхода из строя литий-ионного аккумулятора при полной его разрядке необходимо немедленно зарядить его, иначе BMS не позволит начаться заряду когда напряжение на элементе упадет ниже определенного порога из-за саморазряда батареи по соображениям безопасности (проверено на практике – я было оставил свой наладонник на 3 недели в почти разряженном состоянии и потом, несмотря на поздние реанимационные мероприятия, душа аккумулятора благополучно отошла в лучший мир (я на это искренне надеюсь:)).

Существующие продвинутые мониторы состояния батарей в своих расчетах, скорее всего, используют уравнения Пекерта (Peukert). Однако, все не так просто: обычно потребляемый ток меняется во времени, бывают длительные перерывы в работе аккумулятора, а также константные значения емкости и экспоненты Пекерта меняются в процессе работы аккумулятора (и их приходится время от времени пересчитывать для получения реальных показаний монитора). Это особенно ярко видно на примере «цифрового эффекта памяти» в литий-ионных батареях для ноутбуков – при эксплуатации в условиях частичного заряда/разряда отмечается постепенное уменьшение времени работы от аккумуляторной батареи, из-за несоответствия оставшейся емкости, рассчитанной системой управления батареей, реальной. Эффект «цифровой памяти» нивелируется калибровкой батареи: полным зарядом с последующим полным разрядом аккумулятора раз в 30-50 циклов (ноутбуки без встроенной в BIOS Setup системы калибровки, необходимо разряжать при входе в настройки BIOS, после отключения из-за разряда аккумулятора сразу же зарядить).

Литий-ионные батареи плохо переносят низкие токи заряда и высокие токи разряда (замечание про высокие токи разряда не относистя к LiFePO₄ аккумуляторам, которые могут переносить большие токи разряда, и, в меньшей степени для LiMnO₂ и LiMn₂O₄

). Для достижения максимальной длительности жизни необходимо использовать токи 0,5C (половина номинальной емкости) для заряда и разряда аккумулятора. Для LiCoO₂ аккумуляторов нежелательно переходить предел в 1C для токов заряда и разряда (разряд при 2C приводит к сокращению жизни в 2 раза, при 3C – в 4 раза).

Cоблюдение всех указанных предосторожностей позволит достигнуть большого срока жизни (ресурса) вашего литий-ионного аккумулятора и он будет долго радовать вас своей емкостью и низким уровнем внутреннего сопротивления. Также каждые 6-12 месяцев появляются литий-ионные аккумуляторы на основе других химических соединений и внутренней конструкции – у них будут немножко (или множко) другие характеристики. К заявлениям производителей по поводу новых аккумуляторов нужно относиться с известной долей скептицизма, поскольку только опыт длительной эксплуатации может дать ответ на вопросы соответствия заявленных параметров реальным и проверить решения по поводу правильной экспуатации литий-ионных аккумуляторов.

Данная статья отмечает субъективный взгляд на проблему продления ресурса литий-ионных аккумуляторов. Цифровые данные взяты из проверенных источников (batteryuniversity.com — литий-ионные (lithium-ion) батареи, с сайтов производителей литий-ионных батарей — Valence, ThunderSky, Everspring), однако во время компиляции информации некоторые слишком оптимистичные заявления производителей батарей пришлось опустить или несколько исправить, если заметите ошибки — пишите.

Больше информации об различных типах аккумуляторных батарей вы сможете почерпнуть на сайте автора: http://sdisle.com/battery/

P.S. Меня очень удивило, что на хабрехабре нет поддержки индексов для текста (тег sub. ../sub) — благодаря этому некоторые химические формулы в статье изображаются неверно:(.

BU-501: Основы разрядки — Battery University

Целью батареи является накопление энергии и высвобождение ее в нужное время. В этом разделе рассматривается разрядка при различных скоростях C и оценивается глубина разряда, до которой батарея может безопасно дойти. В документе также рассматриваются различные сигнатуры разряда и исследуется срок службы батареи при различных режимах нагрузки.

Преимущество электрохимической батареи по сравнению с другими устройствами накопления энергии заключается 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-аккумулятор — это обратная сторона батареи, обеспечивающая наибольшую мощность в начале. На рисунках 1, 2 и 3 показаны смоделированные характеристики разряда накопленной энергии.

Большинство перезаряжаемых батарей могут быть кратковременно перегружены, но это должно быть кратковременно. Срок службы батареи напрямую зависит от уровня и продолжительности нагрузки, которая включает в себя заряд, разряд и температуру.

Любители дистанционного управления (RC) — это особая порода пользователей батарей, которые доводят до максимума толерантность к «хилым» высокопроизводительным батареям, разряжая их при температуре C 30°C, что в 30 раз превышает номинальную емкость. Настолько же захватывающим, как радиоуправляемый вертолет, гоночный автомобиль и быстрая лодка; ожидаемая продолжительность жизни пакетов будет короткой. Любители радиоуправления 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 тяготеют к батареям с высокой емкостью и выбирают Energy Cell. Это в отличие от отраслей промышленности, требующих больших нагрузок и длительного срока службы. Эти приложения выбирают более надежную силовую ячейку с уменьшенной емкостью.

Глубина разряда

Свинцово-кислотные разряды до 1,75 В/элемент; система на основе никеля до 1,0 В/ячейка; и большинство литий-ионных до 3,0 В / ячейка. На этом уровне тратится примерно 95 процентов энергии, и напряжение будет быстро падать, если разряд продолжится. Чтобы защитить батарею от чрезмерной разрядки, большинство устройств не допускают работу за пределами указанного конечного напряжения разрядки.

При снятии нагрузки после разряда напряжение исправной батареи постепенно восстанавливается и поднимается до номинального напряжения. Различия в сродстве металлов к электродам создают этот потенциал напряжения, даже когда батарея разряжена. Паразитная нагрузка или высокий саморазряд препятствуют восстановлению напряжения.

Высокий ток нагрузки, как в случае сверления бетона электроинструментом, снижает напряжение батареи, и пороговое значение напряжения конца разряда часто устанавливается ниже, чтобы предотвратить преждевременное отключение. Напряжение отсечки также должно быть снижено при разрядке при очень низких температурах, так как напряжение батареи падает, а внутреннее сопротивление батареи увеличивается. В таблице 4 показаны типичные значения напряжения в конце разряда для аккумуляторов различного химического состава.

Конец разрядки	Литий-марганцевый	Ли-фосфат	Свинцово-кислотный	никель-кадмиевый/никель-металлогидридный
Номинальный	3,60 В/ячейка	3,20 В/ячейка	2,00 В/ячейка	1,20 В/ячейка
Нормальная нагрузка	3,0–3,3 В/ячейка	2,70 В/ячейка	1,75 В/ячейка	1,00 В/ячейка
Тяжелая нагрузка или Низкотемпературный	2,70 В/ячейка	2,45 В/ячейка	1,40 В/ячейка	0,90 В/ячейка

Таблица 4: Номинальное и рекомендуемое конечное напряжение разряда при нормальной и большой нагрузке
Более низкое конечное напряжение разряда при высокой нагрузке компенсирует большие потери.

Чрезмерная зарядка свинцово-кислотного аккумулятора может привести к образованию сероводорода — бесцветного, ядовитого и легковоспламеняющегося газа с запахом тухлых яиц. Сероводород также возникает при разложении органических веществ в болотах и ​​сточных водах, присутствует в вулканических газах и природном газе. Газ тяжелее воздуха и скапливается на дне плохо проветриваемых помещений. Сначала сильный, но со временем обоняние притупляется, и жертвы не замечают присутствия газа. (См. BU-703: Проблемы со здоровьем при использовании батарей)

Что представляет собой цикл разрядки?

Под циклом разрядки/зарядки принято понимать полную разрядку заряженной батареи с последующей перезарядкой, но это не всегда так. Аккумуляторы редко бывают полностью разряжены, и производители часто используют формулу 80-процентной глубины разряда (DoD) для оценки аккумулятора. Это означает, что доставляется только 80 процентов доступной энергии, а 20 процентов остается в резерве. Циклирование батареи при менее чем полной разрядке увеличивает срок службы, и производители утверждают, что это ближе к полевым представлениям, чем полный цикл, потому что батареи обычно перезаряжаются с некоторой оставшейся резервной емкостью.

Не существует стандартного определения цикла разрядки. Некоторые счетчики циклов добавляют полный счет, когда батарея заряжена. Интеллектуальной батарее может потребоваться 15-процентная разрядка после зарядки, чтобы пройти цикл разрядки; все, что меньше, не считается циклом. Батарея на спутнике имеет типичный DoD 30–40 процентов, прежде чем батареи будут перезаряжены 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 разрядки батареи, чтобы обеспечить одинаковое расстояние вождения. Избегание полной зарядки и разрядки снижает нагрузку на батарею. (См. также BU-1003: Электромобиль)

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

Ссылка на цикл разрядки или количество циклов не одинаково хорошо относится ко всем применениям аккумуляторов. Одним из примеров, когда подсчет циклов разрядки не точно отражает состояние жизненного цикла, является устройство хранения (ESS). Эти батареи дополняют возобновляемые источники энергии ветра и фотогальванических элементов, обеспечивая краткосрочную энергию, когда это необходимо, и сохраняя ее в избытке. Продолжительность времени между зарядом и разрядом может быть в миллисекундах; типичный уровень заряда батареи составляет 40–60%. Вместо подсчета циклов в качестве средства измерения износа можно использовать подсчет кулонов.

Аккумуляторы в портативном мире

Материал по Battery University основан на незаменимом новом 4-м издании « Аккумуляторы в портативном мире — Справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров », которое можно заказать на Amazon. .ком.

BU-603: Как откалибровать «умную» батарею

При проектировании указателя уровня топлива инженеры обычно ошибаются, полагая, что батарея всегда будет оставаться молодой. Как и в случае с людьми, для обеспечения точности необходимо учитывать возраст батарей и меняющиеся характеристики. Причудливые датчики уровня топлива могут дать ложное чувство безопасности, полагая, что отображаемые показания батареи верны. Для случайного пользователя мобильного телефона или ноутбука ошибка указателя уровня топлива является лишь легким раздражителем, но проблема обостряется с медицинскими и военными устройствами, а также дронами и электрическими трансмиссиями, которые зависят от точных прогнозов дальности.

Химическая батарея, представляющая фактическое хранилище энергии, остается главной, в то время как цифровая батарея обеспечивает периферийную поддержку, полагаясь на информацию, полученную от циклов заряда и разряда. Но, как и во всех хороших машинах, точные настройки начинают меняться и требуют корректировки. То же самое происходит с аккумулятором SMBus, который также требует периодической калибровки. В инструкции к Apple iPad говорится: «Для надлежащего отчета о SoC обязательно выполняйте как минимум один полный цикл зарядки/разрядки в месяц».

На рис. 1 показана цифровая батарея, которая отдаляется от химической батареи; калибровка исправляет ошибку отслеживания. Накапливающаяся ошибка связана с приложением, а дрейф на диаграмме подчеркивается для эффекта.

Рисунок 1: Отслеживание электрохимической и цифровой батареи в зависимости от времени
По мере использования и времени электрохимическая и цифровая батареи расходятся; калибровка исправляет ошибку.

Примечание: Накопленная ошибка связана с приложением; значения на графике выделены.

Интеллектуальная батарея самокалибруется, используя случайные полные разрядки, но в реальной жизни это случается редко. Большинство выделений носят прерывистый характер и уходят на произвольную глубину. Кроме того, сигнатуры нагрузки часто состоят из высокочастотных импульсов, которые трудно зафиксировать. Частично разряженную батарею можно частично зарядить, а затем хранить в теплом помещении, что приведет к повышенному саморазряду, который невозможно отследить. Эти аномалии добавляют к ошибке отображения, которая усиливается с использованием и временем.

Для поддержания точности смарт-аккумулятор следует периодически калибровать, запуская аккумулятор в устройстве до тех пор, пока не появится сообщение «Батарея разряжена», а затем выполнить подзарядку. Полный разряд устанавливает флаг разрядки, а полный заряд устанавливает флаг заряда. Между этими двумя опорными точками формируется линейная линия, позволяющая оценить SoC. Со временем эта линия снова размывается, и батарея требует повторной калибровки. На рис. 2 показаны флажки полной разрядки и полной зарядки.

Рис. 2: Флаги полной разрядки и полной зарядки ^[1]

Калибровка выполняется путем применения полной зарядки, разрядки и зарядки. Это делается в оборудовании или с помощью анализатора батареи в рамках обслуживания батареи.

Анализаторы аккумуляторов служат ценным инструментом для калибровки интеллектуальных аккумуляторов. Анализатор полностью заряжает батарею, а затем применяет контролируемый разряд, который обеспечивает все важные показания емкости химической батареи. Это измерение разряда является более точным показанием, чем то, что дает подсчет кулонов, регистрируя прошлые разряды цифровой батареи.

Как часто следует калибровать батарею? Ответ зависит от приложения. Для батареи, которая постоянно используется, калибровку следует проводить каждые 3 месяца или после 40 неполных циклов. Если портативное устройство самостоятельно применяет периодическую полную глубокую разрядку, то дополнительная калибровка не требуется.

Что произойдет, если батарею не калибровать регулярно? Можно ли с уверенностью использовать такую ​​батарею? Большинство интеллектуальных зарядных устройств подчиняются требованиям химической батареи, а не цифровой батареи, и нет никаких проблем с безопасностью. Батарея должна работать нормально, но цифровые показания могут стать ненадежными.

Некоторые интеллектуальные батареи имеют функцию отслеживания импеданса. Это самообучающийся алгоритм, который уменьшает или устраняет необходимость калибровки. Однако, если требуется калибровка, может потребоваться несколько циклов вместо одного для достижения того же результата, что и в стандартной системе.

Максимальная ошибка

Точность между химической и цифровой батареей измеряется максимальной ошибкой. Max Error означает «максимальная ошибка» и представлена ​​в процентах. Низкое значение указывает на хорошую точность, и по мере того, как точность снижается при неполных циклах, значение максимальной ошибки неуклонно увеличивается. Этого наблюдающего сторожевого пса можно сравнить с врачом, который измеряет состояние здоровья числом.

Некоторые производители рекомендуют калибровку при максимальной ошибке 8 процентов; показания выше 12 процентов могут вызвать сигнал тревоги, а 16 процентов могут вывести батарею из строя. Не существует единого стандарта для определения того, какой уровень Max Error требует обслуживания или что представляет собой ошибку; каждый производитель аккумуляторов следует своим собственным рекомендациям.

Снимок экрана

Система SMBus предоставляет обширную информацию, включая дату изготовления батареи, модель батареи и серийный номер, емкость, температуру и расчетное время работы, а также напряжения вплоть до уровня элементов. Инженеру доставляет удовольствие иметь все эти данные в виде таблицы, но мелкий шрифт может запутать пользователя больше, чем помощь. У занятой медсестры в больнице, дежурного полицейского и солдата в бою есть только один вопрос: «Хватит ли батареи для моей миссии?» На рис. 3 показан снимок экрана с данными, хранящимися в батарее SMBus.

Рис. 3: Универсальный снимок экрана батареи SMBus ^[2]
Данные организованы в таблицы для облегчения анализа, формат, который менее подходит для повседневного использования батареи.