1. 3. Сигнатура розрядки
2. 4. Рекомендації щодо розрядних процесів акумуляторних батарей

Опубліковано 18.05.2016 15:08 Abramova Olesya

Перші літій-іонні акумулятори були досить неміцними і вважалися непридатними для високих навантажень. Але сьогодні ситуація змінилася, і ця електрохімічна система стоїть нарівні з нікелевої і свинцевою. Існує дві основні спрямованості літій-іонних акумуляторів - оптимізація під енергетичні (ємнісні) і потужності вимоги.

Енергетичний літій-іонний елемент оптимізований під максимальну ємність для забезпечення довгої автономної роботи. Прикладом такого елемента є Panasonic NCR18650B (рисунок 1), яка володіє високою ємністю, але при розрядці значенням в 2С і більше має істотне просідання характеристик. При пороговому значенні напруги відсічення в 3,0 В на елемент, розрядка силою 2С знизить ємність до 2,3 Ач замість номінальних 3,2 Ач. Такі елементи розраховані, в першу чергу, для портативних комп'ютерів і інших не особливо потужних застосувань.

Малюнок 1: Розрядні характеристики Panasonic NCR18650B. Елемент ємністю 3,200 мАг розряджається силою 0,2 с, 0,5С, 1С та 2С. Зазначена червоним кружком область з пороговим напругою відсічення 3,0 В на лінії розряду силою 2С фіксує момент повного розряду. Зниження температури навколишнього середовища також призведе до втрат ємності, при 25 ° С ємність буде відповідати номіналу, при 0 ° С її значення буде складати ~ 83% від номінальної ємності, при -10 ° С - ~ 66% і при -20 ° С - ~ 53%.

Елемент Panasonic UR18650RX має невелику ємність, але чудові характеристики навантажень. Розряд силою струму 10 А (5С) призводить до мінімально можливих втрат ємності з напругою відсічення 3,0 В. Такі елементи призначені для пристроїв з високими струмами навантаження, наприклад, для електроінструменту.

Малюнок 2: Розрядні характеристики Panasonic UR18650RX. Показаний розряд цього 1950 мАг елемента С-рейтингом 0,2 с, 0,5С, 1С, 2С і фіксованою силою струму 10 А. Розрядка усіма перерахованими вище значеннями забезпечує ємність на рівні 2000 мАг при пороговому напрузі відсічення 3,0 В. Дані елементи володіють помірною ємністю, але в змозі задовольнити високий струм навантаження. При зниженні температури навколишнього середовища реальна ємність знизиться до: при 25 ° С - 100% від номіналу, 0 ° С - ~ 92%, -10 ° С - ~ 85%, -20 ° С - ~ 80%.

Оптимізований під показники потужності елемент здатний забезпечити безперервний розряд силою 10С. Це означає, що елемент типорозміру 18650 ємністю 2000 мАг може забезпечити безперервне живлення навантаження силою струму 20 А (30 А - в разі, якщо це елемент Li-фосфатної технології). Така чудова продуктивність досягається частково за рахунок зниження внутрішнього опору, а також за рахунок оптимізації площі поверхні активної речовини. Низький опір забезпечує високе значення електричного струму з мінімальним підвищенням температури. Експлуатація при максимально допустимому розрядному струмі нагріває елемент приблизно до 50 ° С, тоді як максимально допустима температура становить 60 ° С.

Для задоволення навантажувальним характеристикам у виробників акумуляторів є два шляхи: використання оптимізованих під потужність елементів або збільшення розмірів акумулятора з елементів, "заточених" під ємність. Подібний метод зі збільшення кількості елементів використовується в акумуляторних системах електромобіля Tesla, і хоча така система забезпечить відмінний показник автономного часу роботи, її вага і вартість буде значно збільшено.

3. Сигнатура розрядки

Одним з унікальних властивостей акумуляторів на основі літію і нікелю є здатність забезпечення безперервної високої потужності, аж до повного вичерпання акумулятора. Це властивість стає можливим завдяки швидкому електрохімічного відновлення. Свинцево-кислотний акумулятор є "повільним", його можна порівняти з фломастером, якому для відновлення здібностей після витрати фарби потрібен певний час. І в той час як відновлення характеристик відносно швидке при розрядці (наприклад, при запуску двигуна стартерних акумулятором), то вся повільність хімічних реакцій стає очевидною при зарядці, яка триває 14-16 годин. Зі збільшенням віку свинцево-кислотного акумулятора швидкість відновлення його характеристик стає тільки гірше.

Акумулятор може розряджатися постійним навантаженням, скажімо в 0,2 с, як, наприклад, відбувається в ліхтарику, але багато інших пристроїв вимагають короткочасних навантажень, в два-три рази перевищують допустимий розрядний С-рейтинг. Прикладом такого імпульсного споживання електрики може служити технологія GSM (Global System for Mobile Communications), яка використовується в мобільних телефонах. GSM вимагає пікового значення сили струму в 2 А кожні 577 мікросекунди. Така специфічність роботи висуває особливі вимоги до невеликих акумуляторів, до того ж, при високій частоті імпульсного енергоспоживання, електричні батареї починають вести себе як великі конденсатори та їх характеристики, відповідно, змінюються.

Малюнок 3: Розрядні імпульси GSM-приймача мобільного телефону. Імпульси частотою 577 мікросекунд залежать від відстані до найближчої вишки і можуть досягати 2 А.

З точки зору довговічності, акумуляторної батареї найкращий постійний розрядний струм помірної сили в порівнянні з імпульсною або одномоментної високим навантаженням. Малюнок 4 демонструє зменшується ємність NiMH акумулятора при різних умовах розрядки - від "м'якого" постійним струмом 0,2 с до імпульсного режиму. Варто відзначити, що більшість електрохімічних систем, в тому числі і літій-іонна, демонструватимуть схожу поведінку з навантажувальні характеристиками, зазначеними на малюнку 4.

Малюнок 4: Життєвий цикл нікель-метал-гидридного акумулятора при різних умовах навантаження. NiMH краще працює з постійним розрядних струмом і аналоговими пристроями, підключення цифрових пристроїв знижує термін служби. Li-ion поводиться аналогічним чином.

На малюнку 5 аналізується кількість повних циклів оптимізованого під ємнісні показники літій-іонного елемента при розрядці різними значеннями С-рейтингу. При значенні 2С акумулятор піддається значному стресу, обмежуючи період зниження ємності до половини номінального значення всього лише 450 циклами.

Малюнок 5: Життєвий цикл оптимізованого під ємнісні показники літій-іонного елемента при різних умовах навантаження. При високих навантаженнях знос всіх акумуляторних батарей збільшується. Але елементи, оптимізовані під показники потужності, є більш витривалими і надійними в разі високих навантажень.

4. Рекомендації щодо розрядних процесів акумуляторних батарей

• Тепло збільшить продуктивність акумулятора, але кожні 10 ° С вище 25-30 ° С будуть скорочувати термін його служби вдвічі. Рекомендується тримати акумулятор в прохолодному місці.

• Не допускайте надмірної розрядки.

• При високих навантаженнях і повторюваних глибоких розрядах використання великого акумулятора мінімізує наноситься стрес.

• Розрядка помірним постійним струмом краще для акумулятора в порівнянні з імпульсними і високими короткочасними навантаженнями.

• Акумулятор показує властивості конденсатора при розрядці високочастотним струмом. Це дозволяє використовувати більш високі пікові струми в порівнянні з розрядкою постійним струмом.

• Акумулятори на основі нікелю і літію мають високу хімічну швидкодію; свинцево-кислотні ж є повільними, і їм необхідно кілька секунд для відновлення характеристик між важкими розрядами.

• Наближення до граничних рівнях заряду і розряду несе деградаційний характер для всіх електрохімічних систем.

Останнє оновлення 2016-04-06