Накопление энергии в батарее можно концептуально разделить на три воображаемых сегмента доступной энергии: пустую зону, которую можно пополнить, и неиспользуемую часть (горючие породы). Рисунок 1 иллюстрирует эти три раздела.

Стареющая батарея

Рисунок 1: Старение батареи

Батареи начинают разряжаться со дня их изготовления. Новый аккумулятор должен обеспечивать 100-процентную емкость; большинство используемых пакетов работают дешевле.

Предоставлено Cadex

Хотя производитель указывает время работы портативного оборудования на основе 100-процентной работы батареи, большинство комплектов в полевых условиях работают с меньшей емкостью. Со временем производительность снижается, а емкость аккумулятора становится меньше. Пакет необходимо заменить, когда его емкость упадет до 80 процентов. Это всего на 20 процентов ниже 100 процентов, и порог окончания срока службы может варьироваться в зависимости от приложения и политики компании.

Помимо потерь, связанных со старением, основными убийцами свинцово-кислотных аккумуляторов являются сульфатирование и коррозия сети. Сульфатирование - это тонкий слой, который образуется на пластине отрицательного элемента, если аккумулятору позволяют находиться в низком состоянии заряда. Если сульфатирование происходит вовремя, выравнивающий заряд может полностью изменить ситуацию. Узнать больше о сульфатировании . В батареях на никелевой основе так называемое содержание горной породы часто является результатом образования кристаллов, также известного как «память», а полная разрядка иногда может восстановить батарею. Процесс старения литий-ионных аккумуляторов - это окисление клеток, процесс, который происходит естественным образом как часть использования и старения и не может быть отменен.

Рост внутреннего сопротивления

Использование большой емкости ограничено, если аккумулятор не может эффективно передавать накопленную энергию. Чтобы отключить питание, батарее необходимо низкое внутреннее сопротивление. Измеренное в миллиомах (мОм) сопротивление является привратником батареи; чем ниже значение, тем меньше ограничений встречает пакет. Это особенно важно при больших нагрузках и сильноточных импульсах, поскольку повышенное сопротивление вызывает падение напряжения и преждевременное отключение. Устройство выключается, а ценная энергия остается позади. На рис. 2 показаны батареи с низким и высоким внутренним сопротивлением в виде свободно протекающих и ограниченных ответвлений.

Влияние внутреннего сопротивления батареи

Влияние внутреннего сопротивления батареи

Рисунок 2: Влияние внутреннего сопротивления батареи

Батарея с низким внутренним сопротивлением выдает высокий ток по запросу. Высокое сопротивление приводит к падению напряжения аккумулятора. Оборудование отключается, оставляя энергию позади.

Предоставлено Cadex

Свинцово-кислотный имеет очень низкое внутреннее сопротивление, и аккумулятор хорошо реагирует на сильные всплески тока, длящиеся всего несколько секунд. Однако из-за присущей ему медлительности свинцово-кислотный аккумулятор не справляется с длительным разрядом при высоком токе, и аккумулятор требует отдыха для восстановления. Сульфатирование и коррозия сетки являются основными причинами повышенного внутреннего сопротивления. Температура также влияет на сопротивление; тепло понижает его, а холод усиливает.

Щелочные, угольно-цинковые и другие первичные батареи имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, и это относит их использование к слаботочным приложениям, таким как фонарики, пульты дистанционного управления, портативные развлекательные устройства и кухонные часы. По мере разряда аккумуляторов сопротивление увеличивается. Это объясняет, почему обычные щелочные элементы в цифровых камерах относительно недолговечны. Высокое внутреннее сопротивление ограничивает возможности использования большинства первичных батарей в «мягких» приложениях, и использование их для привода электроинструментов, потребляющих большой ток, немыслимо.

Повышенный саморазряд

Все аккумуляторы подвержены саморазряду. Саморазряд сам по себе не является производственным дефектом, хотя плохая производственная практика и неправильное обращение могут способствовать возникновению проблемы. Количество утечки электричества зависит от химического состава, и первичные элементы, такие как литиевые и щелочные, являются одними из лучших по сохранению энергии. Для сравнения: никелевые аккумуляторные системы больше всего протекают и требуют подзарядки, если аккумулятор не использовался в течение нескольких дней. Высокопроизводительные батареи на основе никеля подвержены более высокому саморазряду, чем стандартные версии с более низкой плотностью энергии. На рис. 6 в виде утечки жидкости показан саморазряд батареи.

Эффекты высокого саморазряда

Рисунок 6: Эффекты высокого саморазряда

Саморазряд увеличивается с возрастом, ездой на велосипеде и повышенной температурой. Выбросьте аккумулятор, если саморазряд достигает 30 процентов за 24 часа .

Предоставлено Cadex

Потери энергии асимптотические, что означает, что саморазряд достигает максимума сразу после заряда, а затем спадает. Батареи на основе никеля теряют от 10 до 15 процентов своей емкости в первые 24 часа после зарядки, а затем от 10 до 15 процентов в месяц. На рис. 7 показаны типичные потери никелевой батареи при хранении.

Саморазряд как функция времени

Рисунок 7: Саморазряд как функция времени

Разряд самый высокий сразу после зарядки и постепенно уменьшается. На графике показан саморазряд никелевого аккумулятора. Системы на основе свинца и лития имеют меньший саморазряд.

Предоставлено Cadex

Один из лучших аккумуляторов с точки зрения саморазряда - свинцово-кислотный; он теряет всего пять процентов в месяц. Этот химический состав также имеет самую низкую удельную энергию и плохо подходит для портативного использования. Литий-ионный саморазряд составляет около пяти процентов в первые 24 часа и 1-2 процента после этого. Необходимость в схеме защиты увеличивает разряд еще на три процента в месяц.

Саморазряд аккумуляторов любого химического состава увеличивается при повышении температуры и обычно удваивается через каждые 10 ° C (18 ° F). Заметная потеря энергии происходит, если аккумулятор остается в горячем автомобиле. Езда на велосипеде и старение также увеличивают саморазряд. Металл-никель-гидрид годен для 300-400 циклов, тогда как стандартный никель-кадмиевый работает более 1000 циклов, прежде чем повышенный саморазряд начинает мешать работе. Саморазряд старой никелевой батареи может стать настолько сильным, что батарея теряет свою энергию в основном из-за утечки, а не при нормальном использовании в течение дня. Выбросьте аккумулятор, если саморазряд достигает 30 процентов за 24 часа.

Саморазряд литий-ионных аккумуляторов является достаточно стабильным в течение всего срока службы и не увеличивается заметно с возрастом, если только не возникает аномалия ячейки, вызванная повреждением сепаратора, когда микроскопические частицы металла группируются вместе. Усовершенствованные методы производства позволили свести к минимуму эту проблему для новых аккумуляторов. Таблица 8 показывает скорость саморазряда в месяц при различных температурах и состоянии заряда.

Условие зарядки

° C (32 ° F)

25 ° С (77 ° F)

60 ° С (140 ° F)

Полный заряд

40–60% заряда

6%

2%

20%

4%

35%

15%

Таблица 8: Саморазряд литий-ионных аккумуляторов при различных температурах и состоянии заряда
Саморазряд увеличивается с повышением температуры и повышением SoC.

Когда он присутствует, высокий саморазряд залитой свинцово-кислотной батареи не может быть отменен. Факторами, ведущими к этому отказу, являются накопление осадка в уловителе осадка на дне контейнера. Шлам является полупроводниковым, и когда вещество достигает пластин, происходит мягкое замыкание. В никелевых батареях ослабленный или поврежденный сепаратор является причиной высокого саморазряда. Способствующими факторами являются кристаллическое образование (память), позволяющее батарее «готовиться» в зарядном устройстве или подвергая ее повторяющимся циклам глубокой разрядки. Неисправный сепаратор также увеличивает саморазряд литий-ионных аккумуляторов. В крайних случаях тепло, выделяемое в результате утечки электричества, еще больше ослабляет поврежденный сепаратор. Это может привести к тепловому пробою.

Преждевременное отключение напряжения

Не вся накопленная энергия батареи может или должна использоваться при разряде, а некоторый резерв почти всегда остается, когда оборудование отключается. На это есть несколько причин.

Большинство сотовых телефонов, ноутбуков и других портативных устройств отключаются, когда литий-ионный аккумулятор достигает 3 В на элемент при разряде. Производители выбирают этот относительно высокий порог напряжения, чтобы обеспечить некоторый саморазряд во время хранения, что дает период отсрочки перед размыканием схемы защиты при напряжении около 2,5 В / элемент.

Гибридная аккумуляторная батарея в автомобиле никогда полностью не разряжается и работает при уровне заряда от 20 до 80 процентов. Это наиболее эффективная рабочая полоса пропускания батареи, и оставление в этом диапазоне обеспечивает самый длительный срок службы. Глубокая разрядка с полной перезарядкой вызывает чрезмерную нагрузку на любой аккумулятор, в том числе литий-ионный. Батареи на основе никеля аналогичны, и из-за пониженного восприятия заряда и тепловыделения, превышающего 80% SoC, батареи редко заряжаются полностью. Акцент на электрическую трансмиссию делается на максимальном сроке службы, а не на оптимизации времени работы (как в случае с потребительскими товарами).

Электроинструменты и медицинские устройства, потребляющие большие токи, приводят к преждевременному отключению напряжения аккумулятора. Это особенно актуально, если одна из ячеек имеет высокое внутреннее сопротивление или когда аккумулятор работает при низких температурах. Эти батареи могут иметь достаточную емкость после «отключения», и при разрядке при умеренной нагрузке анализатор аккумуляторов может определить остаточную емкость 30 процентов. На рисунке 9 графически показано напряжение отключения.

Изображение оборудования с высоким напряжением отключения

Рисунок 9: Изображение оборудования с высоким напряжением отключения

Портативные устройства не используют всю доступную мощность батареи и оставляют часть энергии.