Основы разряда
Назначение и особенности
Назначение аккумулятора — накапливать энергию и высвобождать ее в нужное время. В этом разделе рассматривается разряд при различных значениях C-rate и оценивается глубина разряда, которой аккумулятор может безопасно достичь. Также исследуются характеристики разряда и срок службы аккумулятора при различных режимах нагрузки.
Электрохимические преимущества
Электрохимический аккумулятор имеет преимущество перед другими устройствами хранения энергии, поскольку уровень энергии остается стабильным на протяжении большей части заряда и быстро падает в конце. Для сравнения: суперконденсатор имеет линейный разряд, а системы на основе сжатого воздуха или маховика обеспечивают максимум мощности в начале. На рисунках 1–3 обычно демонстрируют моделирование этих характеристик.
Перегрузка и срок службы
Большинство аккумуляторных батарей можно кратковременно перегружать, но эта нагрузка должна быть короткой. Срок службы батареи напрямую связан с уровнем и продолжительностью нагрузки, которая включает заряд, разряд и температуру.
Любители дистанционного управления (RC) — это особая порода пользователей аккумуляторов, которые максимально расширяют допустимую мощность «хрупких» высокопроизводительных аккумуляторов, разряжая их со скоростью разряда 30C, что в 30 раз превышает номинальную емкость. Хотя вертолет на радиоуправлении, гоночный автомобиль и скоростной катер могут быть захватывающими, срок службы таких аккумуляторов будет коротким. Поклонники RC хорошо знают о компромиссе и готовы как заплатить цену, так и столкнуться с дополнительными рисками для безопасности.
Чтобы получить максимальное соотношение энергии к весу, производители дронов тяготеют к элементам с высокой емкостью и выбирают Energy Cell. Это отличается от отраслей, требующих больших нагрузок и длительного срока службы. В этих сферах применения используются более надежные Power Cell с уменьшенной емкостью.
Глубина разряда
Свинцово-кислотные аккумуляторы разряжаются до 1,75 В/элемент; никелевые системы – до 1,0 В/элемент; а большинство литий-ионных аккумуляторов – до 3,0 В/элемент. На этом уровне расходуется примерно 95 процентов энергии, и напряжение быстро упадет, если разряд продолжится. Чтобы защитить аккумулятор от чрезмерного разряда, большинство устройств предотвращают работу при напряжении, превышающем указанное конечное напряжение разряда.
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.
КупитьПосле снятия нагрузки после разряда напряжение исправного аккумулятора постепенно восстанавливается и повышается до номинального значения. Разница в сродстве металлов в электродах создает этот потенциал напряжения даже тогда, когда аккумулятор разряжен. Паразитная нагрузка или высокий саморазряд препятствуют восстановлению напряжения.
Высокий ток нагрузки, как это происходит при сверлении бетона электроинструментом, снижает напряжение аккумулятора, и порог напряжения конца разряда часто устанавливается ниже, чтобы предотвратить преждевременное отключение. Напряжение отключения также следует снижать при разряде при очень низких температурах, так как напряжение аккумулятора падает, а внутреннее сопротивление аккумулятора возрастает. В таблице 4 приведены типичные напряжения конца разряда для аккумуляторов различного химического состава.
| Режим | Литий-марганец | Литий-фосфат | Свинцово-кислотный | NiCd / NiMH |
|---|---|---|---|---|
| Номинальное | 3,60 В/элемент | 3,20 В/элемент | 2,00 В/элемент | 1,20 В/элемент |
| Обычная нагрузка | 3,0–3,3 В/элемент | 2,70 В/элемент | 1,75 В/элемент | 1,00 В/элемент |
| Тяжелая нагрузка или низкая температура |
2,70 В/элемент | 2,45 В/элемент | 1,40 В/элемент | 0,90 В/элемент |
Таблица 4: Номинальное и рекомендуемое напряжение конца разряда при нормальной и тяжелой нагрузке.
Более низкое напряжение конца разряда при высокой нагрузке компенсирует большие потери.
Перезарядка свинцово-кислотного аккумулятора может привести к образованию сероводорода – бесцветного, ядовитого и легковоспламеняющегося газа, который пахнет тухлыми яйцами. Сероводород также образуется при разложении органических веществ в болотах и канализации, а также присутствует в вулканических газах и природном газе. Газ тяжелее воздуха и скапливается на дне плохо проветриваемых помещений. Сначала запах сильный, но со временем притупляется, и пострадавшие не подозревают о присутствии газа.
Что представляет собой цикл разряда?
Цикл разряда/заряда обычно понимается как полный разряд заряженного аккумулятора с последующей перезарядкой, но это не всегда так. Аккумуляторы редко полностью разряжаются, и производители часто используют формулу 80-процентной глубины разряда (DoD) для оценки аккумулятора. Это означает, что поставляется лишь 80 процентов доступной энергии, а 20 процентов остается в резерве. Цикл разряда/заряда аккумулятора при неполном разряде увеличивает срок службы, и производители утверждают, что это ближе к реальным условиям эксплуатации, чем полный цикл, поскольку аккумуляторы обычно перезаряжаются с некоторым запасом емкости.
Нет стандартного определения того, что считается циклом разряда. Некоторые счетчики циклов добавляют полный подсчет, когда аккумулятор заряжается. Умный аккумулятор может требовать 15-процентного разряда после заряда, чтобы квалифицироваться как цикл разряда; все, что меньше, не учитывается как цикл. Аккумулятор в спутнике имеет типичный уровень заряда 30–40 процентов, прежде чем аккумуляторы перезаряжаются в течение дня работы спутника. Новый аккумулятор электромобиля может заряжаться только до 80 процентов и разряжаться до 30 процентов. Эта полоса пропускания постепенно расширяется по мере старения аккумулятора, чтобы обеспечить одинаковую дальность пробега. Избегание полных зарядов и разрядов уменьшает нагрузку на аккумулятор.
Гибридный автомобиль использует лишь часть емкости во время разгона, прежде чем аккумулятор зарядится. Запуск двигателя транспортного средства потребляет менее 5 процентов энергии от стартерного аккумулятора, и это также называется циклом в автомобильной промышленности. Ссылку на количество циклов следует делать в контексте соответствующего режима работы.
Ссылка на цикл разряда или количество циклов не одинаково хорошо применима ко всем применениям аккумуляторов. Одним из примеров, когда подсчет циклов разряда не отражает точно состояние ресурса, является устройство хранения энергии (ESS). Эти аккумуляторы дополняют возобновляемые источники энергии от ветровой и фотоэлектрической энергии, обеспечивая кратковременную энергию по мере необходимости и накапливая ее, если она в избытке. Продолжительность времени между зарядом и разрядом может составлять миллисекунды, типичное состояние заряда аккумулятора составляет 40–60%. Вместо количества циклов, для измерения износа можно использовать кулоновский подсчет.
