Характеристики разряда литий-ионного аккумулятора

Ранние литий-ионные аккумуляторы считались хрупкими и непригодными для высоких нагрузок. Это изменилось, и сегодня литиевые системы стоят бок о бок с надежными никелевыми и свинцовыми системами. Появились два основных типа: энергетический элемент (Energy Cell) и силовой элемент (Power Cell).

Производительность и структура

Производительность этих двух типов аккумуляторов характеризуется накоплением энергии, также известным как емкость, и подачей тока, также известной как нагрузка или мощность. Энергетические и мощностные характеристики определяются размером частиц на электродах. Более крупные частицы увеличивают площадь поверхности для максимальной емкости, а мелкий материал уменьшает ее для высокой мощности.

Защита от глубокой разрядки

Защита АКБ от воздействия глубокой разрядки и продление срока его эксплуатации

Smart BatteryProtect 12/24V 65A Victron Energy

Автоматически отключает нагрузку, когда напряжение на аккумуляторе падает ниже критического уровня, что защищает АКБ от глубокой разрядки. Предусмотрена поддержка Bluetooth.

Купить

Smart BatteryProtect 12/24V 220A Victron Energy

Умный контроллер нагрузки, который поддерживает интеграцию с VE.Bus BMS, режим работы с литиевыми аккумуляторами, а также имеет низкое энергопотребление и защиту от перенапряжения.

Купить

BatteryProtect 12/24V 100A Victron Energy

Защищает как AGM / GEL, так и LiFePO₄ аккумуляторы от глубокой разрядки, которая может значительно сократить срок службы или полностью вывести АКБ из строя.

Купить

Посмотреть больше

Уменьшение размера частиц уменьшает количество электролита, который заполняет пустоты. Объем электролита внутри элемента определяет емкость аккумулятора. Уменьшение размера частиц уменьшает пустоты между частицами, тем самым снижая содержание электролита. Слишком малое количество электролита снижает ионную подвижность и влияет на производительность. Представьте себе высыхающий фломастер, который нуждается в восстановлении, чтобы продолжать делать отметки на бумаге.

Литий-ионный энергетический элемент

Литий-ионный аккумулятор разработан для максимальной емкости и обеспечения длительного времени работы. Аккумулятор Panasonic NCR18650B (Рисунок 1) имеет высокую емкость, но менее долговечен при разряде 2C. При пределе разряда 3,0 В/элемент, разряд 2C обеспечивает лишь около 2,3 А·ч вместо указанных 3,2 А·ч. Этот аккумулятор идеально подходит для портативных компьютеров и подобных легких задач.

Рисунок 1: Характеристики разряда энергетического элемента NCR18650B от Panasonic 

Энергетический элемент емкостью 3200 мАч разряжается при 0,2C, 0,5C, 1C и 2C. Круг на линии 3,0 В/элемент обозначает точку конца разряда при 2C.

Потери от низких температур:

• 25°C (77°F) = 100%
• 0°C (32°F) = ~83%
• –10°C (14°F) = ~66%
• –20°C (4°F) = ~53%

Литий-ионный силовой элемент

Силовой элемент Panasonic UR18650RX (рис. 2) имеет умеренную емкость, но превосходные нагрузочные возможности. Разряд 10 А (5C) имеет минимальные потери емкости при напряжении отсечки 3,0 В. Этот элемент хорошо работает для применений, требующих высокого тока нагрузки, таких как электроинструменты.

Рисунок 2: Характеристики разряда силового элемента UR18650RX от Panasonic 

Аккумулятор Power Cell емкостью 1950 мАч разряжается при 0,2C, 0,5C, 1C и 2C, а также при 10A. Все они достигают предела 3,0 В/элемент примерно при 2000 мАч. Аккумулятор Power Cell имеет умеренную емкость, но обеспечивает высокий ток.

Потери от низких температур:

• 25°C (77°F) = 100%
• 0°C (32°F) = ~92%
• –10°C (14°F) = ~85%
• –20°C (4°F) = ~80%

Литий-ионный силовой аккумулятор позволяет непрерывный разряд 10C. Это означает, что аккумулятор 18650 емкостью 2000 мАч может обеспечить непрерывную нагрузку 20 А (30 А с литий-фосфатом). Превосходная производительность достигается частично за счет снижения внутреннего сопротивления и оптимизации площади поверхности активных материалов элементов. Низкое сопротивление обеспечивает высокий ток с минимальным повышением температуры. Работая с максимально допустимым током разряда, литий-ионный аккумулятор нагревается примерно до 50°C (122°F); температура ограничена 60°C (140°F).

Чтобы удовлетворить требования к нагрузке, разработчик аккумулятора может либо использовать силовой элемент (Power Cell) для выполнения требований по коэффициенту разряда C, либо выбрать энергетический элемент (Energy Cell) и увеличить его размер. Энергетический элемент имеет примерно на 50 процентов большую емкость, чем силовой элемент (Power Cell), но нагрузка должна быть уменьшена. Этого можно достичь, увеличив размер аккумулятора, метод, который используется в электромобилях Tesla. Аккумулятор достигает исключительного времени работы, но становится дорогим и тяжелым.

LiFePO4 силовой элемент

Литий-железо-фосфат (LiFePO4) также доступен в формате 18650, предлагая высокий срок службы и превосходную производительность нагрузки, но низкую удельную энергию (емкость). В таблице 3 сравниваются характеристики распространенных литиевых архитектур. 

Таблица 3: Максимизация емкости, срока службы и нагрузки с помощью литиевых аккумуляторных архитектур

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купити

Посмотреть больше

Долговечность и рекомендации

Одно из уникальных качеств никель- и литиевых аккумуляторов заключается в способности непрерывно обеспечивать высокую мощность, пока аккумулятор не разрядится; это возможно благодаря быстрому электрохимическому восстановлению. Свинцово-кислотные аккумуляторы работают медленнее, и это можно сравнить с высыхающим фломастером, который создает короткие отметки на бумаге, а затем требует отдыха для пополнения запасов чернил. Хотя восстановление происходит относительно быстро при разряде, и это можно увидеть при запуске двигателя, медленная химическая реакция становится очевидной во время зарядки. С возрастом это только ухудшается.

Аккумулятор может разряжаться при постоянной нагрузке, скажем, 0,2C, как в фонарике, но многие применения требуют кратковременной нагрузки, в два или три раза превышающей номинальный ток заряда аккумулятора (C). GSM (Глобальная система мобильной связи) для мобильного телефона является таким примером (рисунок 4). GSM нагружает аккумулятор током до 2 А с частотой импульсов 577 микросекунд (мкс). Это создает большую нагрузку на небольшой аккумулятор, однако, с высокой частотой, аккумулятор начинает вести себя больше как большой конденсатор, и характеристики аккумулятора меняются.

Рисунок 4: Импульсы разряда GSM сотового телефона
Импульсы продолжительностью 577 микросекунд, выводимые из аккумулятора, подстраиваются под напряженность поля и могут достигать 2 ампер.

Что касается долговечности, аккумулятор предпочитает умеренный ток при постоянном разряде, а не импульсную или кратковременную высокую нагрузку. На рисунке 5 показано снижение емкости никель-металлогидридного аккумулятора при различных условиях нагрузки: от легкого разряда постоянным током 0,2 C, аналогового разряда, до импульсного разряда. Большинство аккумуляторов, включая литий-ионные, следуют подобной схеме с точки зрения условий нагрузки.

Рисунок 5: Срок службы NiMH при различных условиях нагрузки
NiMH лучше всего работает с нагрузками постоянного тока и аналоговыми нагрузками; цифровые нагрузки уменьшают срок службы. Литий-ионные аккумуляторы ведут себя аналогично.

На рисунке 6 показано количество полных циклов, которые может выдержать литий-ионный аккумулятор при разряде с разной скоростью разряда C. При разряде 2C аккумулятор демонстрирует гораздо большую нагрузку, чем при 1C, ограничивая количество циклов примерно 450, прежде чем емкость падает до половины уровня.

Рисунок 6: Срок службы литий-ионного энергетического элемента при различных уровнях разряда
Износ всех аккумуляторов увеличивается с более высокими нагрузками. Силовые элементы более надежны, чем энергетические элементы.