Co to jest cykl rozładowania?

W zeszły wtorek zadzwoniłem do startupu tworzącego swoje pierwsze urządzenie przenośne. PM pyta mnie, ile razy użytkownicy mogą ładować baterię. Powiedziałem, że to zależy. Chciał numer. Powiedziałem mu, że może 500, w doskonałych warunkach, które nigdy nie będą miały miejsca w terenie.

To jest problem z cyklami rozładowania. Koncepcja jest niezwykle prosta, ale zastosowanie jej do rzeczywistych produktów szybko się komplikuje.

Twoja bateria nie obsługuje wtyczek-. Liczy się przepustowość. Opróżnij 100% pojemności z tabliczki znamionowej i to będzie jeden cykl. Zrób to za jednym razem lub rozłóż na tydzień wyładowań niezupełnych - taki sam wynik.

18650, który widzisz teraz w swojej latarce, może znajdować się w cyklu 47 lub 212. Jeśli nie śledzisz am-godzin w sposób religijny, nie masz pojęcia. Komórka z pewnością nie wie. Wewnątrz nie ma małego kontuaru. Twój BMS szacuje to na podstawie zliczania kulombów i dryfów liczenia kulombów. Rozdzieliłem paczki, w których raportowana liczba cykli była o 30% niższa w porównaniu z rzeczywistym wiekiem kalendarzowym.

Firma Samsung SDI opublikowała pewne dane w 2019 r. pokazujące, że ich 21700 ogniw osiąga 83% utrzymania pojemności w 300. cyklu zgodnie ze standardowym protokołem testowym. Ogniwa Panasonic NCR z tej samej epoki osiągnęły poziom około 78% przy 300 cyklach. Wartości te uzyskano z komór klimatycznych przy temperaturze 23 stopni, przy ładowaniu CC-CV w temperaturze 0,5°C i rozładowywaniu przy temperaturze od 1°C do 2,5 V. Twój przebieg będzie się różnić, ponieważ Twoim przypadkiem użycia nie jest komora klimatyczna.

Wszyscy w tej branży mówią o głębokości rozładowania, jakby to była jakaś magiczna dźwignia. Płytkie cykle wydłużają życie, głębokie cykle szybciej zabijają komórki. To prawda. Ale związek nie jest taki, jakiego większość ludzi oczekuje.

W 2021 r. prowadziłem projekt poboczny, próbując określić to ilościowo dla klienta zajmującego się urządzeniami medycznymi. Wzięliśmy 200 ogniw z tej samej partii produkcyjnej, podzieliliśmy je na grupy i poddaliśmy cyklowi na różnych poziomach DoD przez osiem miesięcy. Grupa 100% DoD utworzyła kratery wokół cyklu 380. Grupa 60% DoD nadal miała 88% wydajności przy równowartości 900 pełnych cykli. Grupa 30% DoD po roku prawie nie wykazała żadnej degradacji.

Ale oto, czego nie powiedzą arkusze danych. Starzenie się kalendarzowe pożerało wszystkie grupy w mniej więcej tym samym tempie, niezależnie od jazdy na rowerze. Do dziesiątego miesiąca nawet ogniwa, których ledwo dotykaliśmy, straciły 4-5% pojemności, po prostu siedząc przy 50% stanie naładowania w pomieszczeniu o temperaturze 25 stopni. Komórki poddane intensywnym cyklom były uderzane z obu stron – starzenie cykliczne i starzenie kalendarzowe, nakładające się na siebie.

Kiedy więc Twój klient pyta, dlaczego jego dwu-letnie-urządzenie nie działa tak długo, mimo że „ledwo go używał”, - oto dlaczego.

Discharge Cycle

Mam w garażu pudełko ogniw z akumulatora do wózka golfowego, który spędził trzy lata w szopie w Tucson. Właściciel przysięgał, że korzystał z wózka może dwa razy w miesiącu. Opakowanie zostało przystosowane do 2000 cykli. Zmarł w temperaturze 160. Komórki z zewnątrz wyglądały dobrze. Pęknięty jeden, a bułka z galaretką miała brązowe plamy na separatorze. Elektrolit uległ częściowemu rozkładowi.

Ciepło zabija ogniwa litowe. Nie tak szybko jak martwy krótki. Powolne, jak zostawianie masła na blacie.

Zależność Arrheniusa daje w przybliżeniu 2-krotną szybkość degradacji na każde 10 stopni powyżej 25 stopni. Ale to średnia dla różnych chemii. Ogniwa NMC, które testowałem, odpadały szybciej. LFP zachowało się lepiej. Ogniwa etui, których używamy do urządzeń do noszenia, są bardziej wrażliwe niż ogniwa cylindryczne o tym samym składzie chemicznym, ponieważ masa termiczna jest niższa i pod obciążeniem gwałtownie się nagrzewają.

Zimne wydzieliny są irytujące, ale nie destrukcyjne. Tymczasowo utracisz pojemność. Wraca, gdy ogniwo się nagrzeje. Rozładowałem ogniwa w temperaturze -15 stopni, co dało jedynie 61% pojemności znamionowej, a następnie pozwoliłem im ogrzać się do temperatury pokojowej i przy następnym rozładowaniu uzyskałem pełne 3,2 Ah. Ładowanie na zimno to zabójca – pokrycie anody litem. Uszkodzenie to jest trwałe. Większość BMS blokuje ładowanie poniżej 0 stopni właśnie z tego powodu.

Każde wyładowanie przenosi jony litu z anody grafitowej na katodę. Każdy ładunek ich odpycha. Zrób to wystarczająco dużo razy, a wszystko zacznie się psuć.

Warstwa SEI na anodzie gęstnieje. Ta warstwa powinna tam być - i chroni grafit przed elektrolitem. Ale rośnie z każdym cyklem, a wzrost oznacza, że zużywa lit, który w przeciwnym razie mógłby magazynować energię. Dlatego pojemność maleje, nawet jeśli nie dzieje się nic dramatycznego.

Cząsteczki katody pękają. Katody NMC i NCA mają strukturę krystaliczną, która rozszerza się i kurczy w miarę wchodzenia i wychodzenia litu. Tworzą się mikro-pęknięcia. Powierzchnia wzrasta. Reakcje uboczne przyspieszają. Widziałem-przekroje cząstek katod z ogniw wysokocyklowych-, które pod mikroskopem przypominały potłuczone szkło w porównaniu ze świeżymi ogniwami z tej samej partii.

Elektrolit ulega rozkładowi. Woda śladowa powoduje problemy. Wysokie napięcie przyspiesza utlenianie. Skończy się to wytwarzaniem gazu, zwiększoną impedancją i ostatecznie ogniwo puchnie lub ulatnia się.

Nic z tego nie dzieje się równomiernie. Ogniwa w szeregu, które nagrzewają się lub zaczynają od nieco mniejszej pojemności, starzeją się szybciej. Po roku lub dwóch Twój „dopasowany” pakiet nie jest już dopasowany. Słabe ogniwo ogranicza cały ciąg podczas rozładowania i jest przepracowane, próbując dotrzymać kroku. Stąd spirala śmierci.

Punktem odniesienia jest norma IEC 62660 i różne normy UL. Przekaż je i możesz wysłać produkt. Ale obserwowałem testy certyfikacyjne komórek, a sześć miesięcy później pojawiałem się w terenie z opuchniętymi woreczkami.

Testy certyfikacyjne zaprojektowano tak, aby były powtarzalne w różnych laboratoriach, a nie symulowały rzeczywiste użytkowanie. Nikt nie używa telefonu przy stałym natężeniu prądu wynoszącym dokładnie 0,5°C. Nikt nie ładuje swojego elektronarzędzia przy idealnym profilu CC-CV pod kątem 25 stopni.

Jeśli poważnie myślisz o zrozumieniu działania pakietu, musisz zbudować protokół testowy pasujący do rzeczywistego użytkownika. Sprofiluj oczekiwany prąd rozładowania. Uwzględnij okresy odpoczynku. Osiągnij ekstremalne temperatury, które będzie widział Twój produkt. Uruchom wystarczającą liczbę komórek, aby uzyskać pewność statystyczną -, a to oznacza co najmniej 15–20 na warunek testowy, a nie 3–5, jak stara się większość startupów.

Ogniwa, które nie przeszły testów na wczesnym etapie życia, prawie zawsze miały wady produkcyjne. Zadziory na elektrodzie, zanieczyszczenia, złe spawy na wypustkach. Pojawią się one w ciągu pierwszych 50 cykli. Komórki, które zawodzą późno -, to te, które mówią ci coś o twoim projekcie.

Możesz obliczyć oczekiwany cykl życia, jeśli znasz swój profil użytkownika. Telefon ładowany codziennie może rozładowywać się średnio do 20% przed podłączeniem do sieci -, co oznacza około 0,8 cykli dziennie. W ciągu dwu-oczekiwanych lat życia mamy do czynienia z 580 cyklami. Jeśli Twoje ogniwa są przystosowane do wytrzymałości na 500 cykli przy 80% pojemności, skargi zaczną pojawiać się około 18 miesiąca.

Właśnie dlatego Apple i Samsung zawyżają swoje pakiety w stosunku do reklamowanej pojemności. Wartość „100%”, którą widzisz na telefonie, nie oznacza 100% tego, co faktycznie mogą pomieścić komórki. Utrzymują bufor na górze i na dole, aby zmniejszyć obciążenie komórek. Twój telefon może mieć fizyczną pojemność 4500 mAh, ale oprogramowanie pozwala na użycie tylko 4000 mAh.

Ten sam pomysł działa w przypadku każdego produktu akumulatorowego. Możesz albo osiągnąć docelowy cykl życia, stosując lepsze ogniwa -, które kosztują więcej -, albo możesz to osiągnąć, zwiększając pojemność i ułatwiając obsługę ogniw. Druga opcja zwykle wygrywa pod względem całkowitego kosztu, jeśli uwzględnisz rezerwy gwarancyjne.

Discharge Cycle

Cykl rozładowania to tylko sposób na ilościową ocenę zużycia. Podobnie jak licznik kilometrów w samochodzie, ale związek między milami a pozostałym życiem jest bardziej płynny. Dwa opakowania po 300 cyklach mogą mieć zupełnie inną pozostałą pojemność w zależności od tego, jak się tam dostały.

Producenci ogniw podają swoje numery. Twoim zadaniem jest ustalenie, jak te liczby przekładają się na Twój konkretny produkt i konkretnych użytkowników. Nie ma na to recepty. Testujesz, wysyłasz, obserwujesz dane terenowe i dostosowujesz.