Čo je vybíjací cyklus?

Minulý utorok sme mali telefonát so startupom, ktorý vyrábal svoje prvé vreckové zariadenie. PM sa ma pýta, koľkokrát môžu ich používatelia nabiť batériu. Povedal som, že to závisí. Chcel číslo. Povedal som mu možno 500 za perfektných podmienok, ktoré v teréne nikdy nebudú.

To je problém s vybíjacími cyklami. Koncept je úplne jednoduchý, ale jeho použitie na skutočné produkty sa rýchlo skomplikuje.

Vaša batéria nepočíta-doplnky. Počíta s priepustnosťou kapacity. Vypustite 100 % kapacity štítku a to je jeden cyklus. Urobte to naraz alebo to rozložte na týždeň čiastočných výbojov - rovnaký výsledok.

18650, ktorý práve teraz sedí vo vašej baterke, môže byť na cykle 47 alebo 212. Ak ste nábožensky nesledovali amp-hodiny, nemáte ani potuchy. Bunka to určite nevie. Vo vnútri nie je žiadny malý pult. Váš BMS to odhaduje na základe počítania coulombov a posunov počítania coulombov. Rozdelil som balenia, kde bol zaznamenaný počet cyklov nižší o 30 % v porovnaní so skutočným starnutím v kalendári.

Spoločnosť Samsung SDI zverejnila v roku 2019 niektoré údaje, ktoré ukazujú, že ich 21700 buniek dosahuje 83% udržanie kapacity v cykle 300 podľa štandardného testovacieho protokolu. Bunky Panasonic NCR z tej istej doby mali viac ako 78 % pri 300 cykloch. Tieto čísla pochádzajú z klimatických komôr pri 23 stupňoch s CC-CV nabíjaním pri 0,5 °C a vybíjaním pri 1 °C až prerušením 2,5 V. Váš počet najazdených kilometrov sa bude líšiť, pretože váš prípad použitia nie je klimatická komora.

Každý v tomto odvetví hovorí o hĺbke vybitia ako o nejakej magickej páke. Plytké cykly predlžujú život, hlboké cykly rýchlejšie zabíjajú bunky. Dosť pravda. Ale vzťah nie je to, čo väčšina ľudí očakáva.

V roku 2021 som spustil vedľajší projekt, ktorý som sa snažil kvantifikovať toto pre zákazníka zdravotníckych pomôcok. Vzali sme 200 buniek z rovnakej výrobnej šarže, rozdelili sme ich do skupín a cyklovali na rôznych úrovniach DoD počas ôsmich mesiacov. Skupina 100% DoD mala krátery okolo cyklu 380. Skupina 60% DoD mala stále kapacitu 88% pri ekvivalente 900 úplných cyklov. Skupina 30% DoD po roku sotva vykázala žiadnu degradáciu.

Ale tu je to, čo vám technické listy nepovedia. Kalendárne starnutie pohltilo všetky skupiny približne rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na bicyklovanie. V desiatom mesiaci dokonca aj bunky, ktorých sme sa sotva dotkli, stratili 4-5 % kapacity len tak, že tam sedeli pri 50 % nabití v 25-stupňovej miestnosti. Bunky, ktoré tvrdo cyklovali, boli zasiahnuté z oboch smerov - starnutie cyklu plus starnutie v kalendári naskladané na seba.

Takže keď sa váš zákazník spýta, prečo jeho dva{0}}roky{1}}staré zariadenie nevydrží tak dlho, aj keď ho „sotva používal“, - práve preto.

Discharge Cycle

V garáži mám krabicu článkov z batérie golfového vozíka, ktorá strávila tri letá v kôlni v Tucsone. Majiteľ prisahal, že vozík používal len dvakrát za mesiac. Balenie bolo dimenzované na 2000 cyklov. Zomrelo pri 160. Bunky zvonku vyzerali dobre. Jeden prasknutý a želé rolka mala na oddeľovači hnedé škvrny. Elektrolyt sa čiastočne rozložil.

Teplo zabíja lítiové články. Nie rýchlo ako mŕtvy skrat. Pomaly, ako keby ste nechali maslo na pulte.

Arrheniov vzťah vám dáva zhruba 2x rýchlosť degradácie na každých 10 stupňov nad 25 stupňov. Ale to je priemer naprieč chémiou. NMC články, ktoré som testoval, vypadávali rýchlejšie. LFP obstálo lepšie. Vreckové články, ktoré používame pre nositeľné zariadenia, sú citlivejšie ako valcové články s rovnakou chémiou, pretože tepelná hmotnosť je nižšia a pri zaťažení sa prudko zahrievajú.

Studený výtok je nepríjemný, ale nie deštruktívny. Dočasne stratíte kapacitu. Vracia sa, keď sa bunka zahreje. Vybil som články pri -15 stupňoch, ktoré poskytli iba 61 % menovitej kapacity, potom som ich nechal zahriať na izbovú teplotu a pri ďalšom vybití som získal plných 3,2 Ah. Zabijakom je studené nabíjanie – pokovovanie lítiom na anóde. To poškodenie je trvalé. Väčšina BMS blokuje nabíjanie pod 0 stupňov presne z tohto dôvodu.

Každý výboj presunie lítiové ióny z grafitovej anódy na katódu. Každé obvinenie ich tlačí späť. Urobte to dostatočne často a veci sa začnú kaziť.

Vrstva SEI na anóde sa zahusťuje. Táto vrstva tam má byť -, že chráni grafit pred elektrolytom. Ale rastie s každým cyklom a rast znamená, že spotrebúva lítium, ktoré by inak mohlo uchovávať energiu. To je dôvod, prečo kapacita klesá, aj keď sa nič dramatické nedeje.

Častice katódy praskajú. Katódy NMC a NCA majú kryštálovú štruktúru, ktorá sa rozširuje a zmršťuje, keď sa lítium pohybuje dovnútra a von. Vznikajú mikro-trhliny. Povrchová plocha sa zväčšuje. Zrýchľujú sa vedľajšie reakcie. Videl som prierezy-častíc katódy z článkov s vysokým-cyklom, ktoré pod mikroskopom vyzerajú ako rozbité sklo v porovnaní s čerstvými článkami z tej istej šarže.

Elektrolyt sa rozpadá. Stopová voda spôsobuje problémy. Vysoké napätie urýchľuje oxidáciu. Skončíte s tvorbou plynu, zvýšenou impedanciou a nakoniec sa bunka nafúkne alebo privetráva.

Nič z toho sa nedeje rovnomerne. Články vo vašom sériovom reťazci, ktoré sú teplejšie alebo začali s mierne nižšou kapacitou, starnú rýchlejšie. Po roku alebo dvoch sa váš „zhodný“ balík už nezhoduje. Slabý článok obmedzuje celý reťazec pri vybití a preťažuje sa pri pokuse udržať krok. Špirála smrti odtiaľ.

IEC 62660 a rôzne normy UL vám poskytujú základ. Prejdite ich a môžete odoslať produkt. Sledoval som však testovanie eso na certifikáciu buniek a potom som sa o šesť mesiacov neskôr ukázal v teréne s opuchnutými vreckami.

Certifikačné testy sú navrhnuté tak, aby sa dali opakovať v laboratóriách, nie aby simulovali skutočné použitie. Nikto nepoužíva svoj telefón pri konštantnom prúde presne 0,5 C. Nikto nenabíja svoje elektrické náradie pri dokonalom CC-profile CV pri 25 stupňoch .

Ak chcete vážne pochopiť, ako bude váš balík fungovať, musíte vytvoriť testovací protokol, ktorý zodpovedá vášmu skutočnému používateľovi. Vyprofilujte si očakávaný vybíjací prúd. Zahrňte aj doby odpočinku. Dosiahnite teplotné extrémy, ktoré váš produkt uvidí. Spustite dostatok buniek na získanie štatistickej spoľahlivosti -, čo znamená aspoň 15 – 20 na testovaciu podmienku, nie 3 – 5, s ktorými sa väčšina začínajúcich firiem snaží dostať.

Články, ktoré zlyhali pri testovaní na začiatku života, mali takmer vždy výrobné chyby. Otrepy na elektróde, znečistenie, zlé zvary na jazýčkoch. Tie sa prejavia v prvých 50 cykloch. Bunky, ktoré zlyhajú neskoro -, sú tie, ktoré vám niečo povedia o vašom návrhu.

Očakávanú životnosť cyklu môžete vypočítať, ak poznáte svoj užívateľský profil. Telefón, ktorý sa nabíja denne, sa môže pred zapojením do siete vybiť v priemere na 20 % -, čo je približne 0,8 cyklu za deň. Počas predpokladanej životnosti dvoch{5}}rokov sa pozeráte na 580 cyklov. Ak sú vaše články ohodnotené na 500 cyklov na 80 % kapacity, sťažnosti sa začnú objavovať okolo 18. mesiaca.

To je dôvod, prečo Apple a Samsung predimenzujú svoje balenia v porovnaní s inzerovanou kapacitou. „100 %“, ktoré vidíte na svojom telefóne, nie je 100 % toho, čo bunky skutočne pojmú. V hornej a dolnej časti udržiavajú tlmič, aby sa znížil tlak na bunky. Váš telefón môže mať fyzickú kapacitu 4 500 mAh, ale softvér vám umožňuje použiť iba 4 000 mAh.

Rovnaký nápad funguje pre akýkoľvek batériový produkt. Môžete dosiahnuť svoj cieľ životnosti cyklu pomocou lepších buniek -, ktoré stoja viac -, alebo ho môžete dosiahnuť vložením dodatočnej kapacity a jednoduchšou prevádzkou buniek. Druhá možnosť zvyčajne vyhráva na celkových nákladoch, keď zohľadníte záručné rezervy.

Discharge Cycle

Vybíjací cyklus je len spôsob, ako kvantifikovať opotrebovanie. Ako počítadlo kilometrov na aute, ale vzťah medzi najazdenými kilometrami a zostávajúcim životom je mäkší. Dve balenia po 300 cykloch môžu mať úplne odlišnú zostávajúcu kapacitu v závislosti od toho, ako sa tam dostali.

Výrobcovia článkov vám poskytnú svoje čísla. Vašou úlohou je zistiť, ako sa tieto čísla premietajú do vášho konkrétneho produktu a vašich konkrétnych používateľov. Na to neexistuje vzorec. Testujete, odosielate, sledujete údaje z terénu a upravujete.