Снижение емкости

Накопление энергии в батарее концептуально можно разделить на три воображаемых сегмента: доступную энергию, пустую зону, которую можно пополнить, и неиспользуемую часть (содержание горных пород). 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. [BU-804, сульфатирование] 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 (мВт) 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.

На рисунках 3, 4 и 5 показано время разговора сотовых телефонов с импульсными разрядными нагрузками 1С, 2С и 3С, которые требуются GSM и CDMA. Все протестированные батареи имеют одинаковый размер и имеют емкость 113%, 94% и 107% соответственно при проверке анализатором батареи при разряде постоянного тока. Три графика ясно демонстрируют важность низкого внутреннего сопротивления, которое варьируется от низкого 155 мОм до умеренного 320 мОм до высокого 778 мОм соответственно.
 

Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C, что дает время разговора

Рисунок 3:  Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C с результирующим временем разговора
Емкость никель-кадмиевой батареи составляет 113%; внутреннее сопротивление - 155 мОм.

Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C, что дает время разговора

Рис. 4. Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C с получением времени разговора
Емкость никель-металлгидридной батареи составляет 94%, внутреннее сопротивление - 320 мОм.

Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C, что дает время разговора

Рис. 5: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C с получением времени разговора
Емкость литий-ионной батареи составляет 107%; внутреннее сопротивление 778 МОм.

Все три рисунка любезно предоставлены Cadex

Примечания: Вышеупомянутые тесты были проведены на батареях сотовых телефонов до того, как литий-ионные батареи стали основным типом батарей для этого приложения. Внутреннее сопротивление современной сотовой батареи составляет от 150 до 350 мОм.

Максимальный импульсный ток разряда GSM составляет 2,5 ампера. При питании от батареи 800 мАч это означает разряд 3C, или в три раза превышающий номинальный ток.

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.