От чего зависит емкость аккумулятора: Аккумулятор и производительность iPhone – Служба поддержки Apple

Что такое емкость аккумуляторной батареи. Как измерить емкость аккумулятора.

Емкость аккумуляторов– это количество электрической энергии, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенном режиме разряда и температуре от начального до конечного напряжения. Единицей СИ для электрического заряда является кулон (1Кл), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (Ач).

Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле:

C=Ip _*tp,гдеС– емкость, Ач;

Ip– сила разрядного тока, А;

tp– время разряда, Ч.

Номинальная емкость– емкость, которую должен отдать новый полностью заряженный аккумулятор в нормальных условиях разряда, указанных в стандарте на этот аккумулятор. При этом напряжение не должно упасть ниже определенной величины.

Так как емкость зависит от разрядного тока и конечного разрядного напряжения, в условном обозначении аккумуляторов указывается емкость, соответствующая определенному режиму разряда.

Для стартерных аккумуляторов за номинальную принимается емкость при 20-часовом, стационарных при 10-часовом, тяговых при 5-часовом режимах разряда.

Пример оценки ёмкости батареи 20-ти часовым режимом разряда током 0.05 С20 (током, равным 5% от номинальной ёмкости). Если ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-ти часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда – 3А.

Отдача по емкости – отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях.

Она зависит от полноты заряда. Часть же заряда теряется на газообразование, это уменьшает коэффициент отдачи.

Емкость остаточная

– величина, соответствующая количеству электричества, которое может отдать частично разряженный аккумулятор при установленном режиме разряда до конечногонапряжения.

Резервная ёмкость аккумуляторной батареи– время, в течение которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями стартерных аккумуляторных батарей после значения тока холодного старта.

Емкость зарядная– количество электричества, сообщаемое аккумулятору во времязаряда.Зарядная емкость акб всегда больше разрядной из-за потерь энергии на побочные реакции и процессы.

При постоянном токе заряда l зарядная емкость С= I _* t, где t – время заряда.

Измерение емкости ведется до падения напряженияхотя бы одного элемента аккумуляторной батареи до величины, регламентированной для конкретного режима разряда.

В течение срока службы емкость акб изменяется. В начале срока службы она возрастает, так как происходит разработка активной массы пластин. В процессе эксплуатации емкость некоторое время держится стабильной, а затем начинает постепенно уменьшаться из-за устаревания активной массы пластин.

Емкость батареи зависит от количества активного материала и конструкции электродов, количества и концентрации электролита, величины тока разряда, температуры электролита, степени изношенности аккумулятора, наличияпосторонних примесей в электролитеи других факторов.

При увеличении тока разряда емкость батареи уменьшается. АКБ при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока). Поэтому на аккумуляторах могут быть обозначения при 3,5,6,10,20 и 100 часах разряда. При этом емкости одной и той же батареи будут совершенно разные. Наименьшая будет при 3-х часовом разряде, наибольшая при 100 часовом.

С повышениемтемпературы электролитаемкость растет, но при излишне высоких температурах уменьшается срок их службы.Это происходит потому что, при повышении температуры электролит легче проникает в поры активной массы, так как уменьшается его вязкость и увеличивается внутреннее сопротивление.Поэтому в реакции разряда принимает участие больше активной массы, чем при заряде, производившемся при более низкой температуре.

При низкихже температурах емкость и полезное действиеАКБбыстро уменьшается.

Если увеличить концентрацию (плотность электролита), то емкость также увеличится, но аккумулятор быстро выйдет из строя из-за разрыхления активной массы батареи.

Что такое емкость аккумулятора и от чего она зависит | Электрик Инфо

Взглянув на маркировку любого современного аккумулятора, будь то литий-ионный аккумулятор сотового телефона или свинцово-кислотный аккумулятор от источника бесперебойного питания, – мы всегда сможем найти там сведения не только о номинальном напряжении данного источника питания, но и о его электрической емкости.

Обычно это цифры вроде: 2200 mAh (читается как 2200 миллиампер-часов), 4Ah (4 ампер-часа) и т. д. Как видите, для измерения электрической емкости аккумулятора применяется внесистемная единица измерения — Ah (Ampere hour) – «ампер-час», а вовсе не «фарад» как для конденсаторов. И часы здесь фигурируют отнюдь не просто так, а по той причине, что обычный аккумулятор, в отличие от обычного конденсатора, способен питать нагрузку буквально часами.

Если попытаться объяснить совсем просто, то емкость аккумулятора в ампер-часах — это численное выражение того, как долго данный аккумулятор сможет питать нагрузку с определенным током потребления.

Например, если аккумулятор с номинальным напряжением 12 вольт полностью заряжен, при том имеет емкость 4 Ah, то это значит, что нагрузку с током потребления в 0,4 ампера, с номинальным напряжением в 12 вольт, данный аккумулятор будет в состоянии питать на протяжении 10 часов, пока не наступит состояние, при котором дальнейший его разряд станет опасным для рабочих характеристик. А через нагрузку с током потребления в 1 ампер, этот же аккумулятор будет разряжаться 4 часа (теоретически разумеется).

Конечно, для каждого аккумулятора существует ограничение по максимально допустимому разрядному току, и чем выше будет разрядный ток — тем ниже окажется линейность разрядной характеристики, и тем быстрее аккумулятор будет садиться по сравнению с расчетным временем.

Минимально допустимое напряжение, до которого можно разряжать аккумулятор, также регламентируется и всегда указывается в документации на конкретный аккумулятор, как и максимальное безопасное напряжение, выше которого заряжать аккумулятор уже очень не желательно.

Так например типичное для литий-ионного аккумулятора на 3,7 вольт, предельно допустимое минимальное напряжение разряда составляет 2,75 вольт, а максимальное — 4,25 вольт. Если разрядить литиевый аккумулятор до менее чем 2,75 вольт, то аккумулятор начнет терять емкость, а если перезарядить его сверх меры — может взорваться.

Для свинцово-кислотного аккумулятора на 12 вольт, предельно безопасный минимум равен 9,6 вольт, а максимум, до которого можно заряжать, составляет 13 вольт и т. д.

Как видите, в сведениях о емкости (в ампер-часах) вольты не упоминаются вовсе. А между тем, если перевести часы в секунды, а затем величину емкости умножить на напряжение аккумулятора, то получим величину энергии заряда данного аккумулятора в джоулях:

Так или иначе, емкость исправного аккумулятора практически не зависит от напряжения на его клеммах в текущий момент. А вот когда мы произносим «заряд аккумулятора», то имеем ввиду уже не емкость, а как раз то напряжение, до которого аккумулятор сейчас заряжен. Если аккумулятор заряжен до номинального напряжения, то можно рассчитывать на ту емкость, которой аккумулятор в этот момент обладает. Если же аккумулятор разряжен, то его емкость уже не имеет значения.

При этом реальная емкость аккумулятора, как можно видеть по семейству разрядных характеристик, сильно зависит от величины тока разряда. 10-часовой разряд и 10-минутный разряд, например для свинцово-кислотного аккумулятора (см. рисунок выше), покажут разницу в емкости приблизительно вдвое!

Можно обнаружить даже более-менее точную математическую зависимость между разрядным током и временем разряда того или иного экземпляра аккумулятора. Эту зависимость выявил немецкий ученый Пейкерт, и ввел так называемый «коэффициент Пейкерта» р, который, к примеру, для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов находится в районе 1,25. Чем выше ток разряда — тем меньше время разряда. А константа в правой части уравнения — напрямую зависит он номинальной емкости аккумулятора.

При желании реальную емкость аккумулятора можно определить очень просто: зарядить полностью аккумулятор (до максимально разрешенного напряжения, которое указано в документации), а затем разрядить постоянным током (близким к 10-часовой разрядной характеристике из документации) до конечного напряжения разряда (которое также приведено в документации). Перемножить ток разряда и время разряда в часах — получится реальная емкость аккумулятора в ампер- или в миллиампер-часах. 

Смотрите также на нашем сайте:

Андрей Повный, автор сайта Электрик Инфо – электротехника и электроника в простом и доступном изложении.

Понятие емкости аккумулятора.

Емкость аккумулятора и аккумуляторной батареи



Емкость аккумулятора определяется количеством электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при непрерывной его разрядке постоянной силой тока до конечного значения напряжения.
По ГОСТ 959-71 номинальная емкость (С_ном) стартерных аккумуляторных батарей гарантируется при непрерывной их 20-часовой разрядке силой тока, равной 5 % емкости батареи до напряжения 1,75 В на отстающем аккумуляторе, при средней температуре электролита 25 ˚С и его начальной плотности 1,285 г/см³.

Наиболее энергоемким процессом (с точки зрения затрат электроэнергии) при эксплуатации автомобиля является пуск двигателя стартером. Очевидно, что для автомобилей с мощными двигателями для пуска двигателя требуется и бóльшая мощность стартера, а это, в свою очередь, требует больших затрат электроэнергии и более емкого аккумулятора (аккумуляторной батареи).

Оценка номинальной емкости аккумуляторной батареи (или аккумулятора) осуществляется по результатам его разрядки нормируемой силой тока до установленного конечного значения напряжения между выводами разной полярности. Чем дольше разряжается аккумулятор (или батарея), тем больше его емкость.

Проверка номинальной емкости аккумуляторной батареи (или отдельного аккумулятора) осуществляется при 10-часовом режиме разрядки силой тока, равной 10 % емкости батареи (аккумулятора) до конечного напряжения 1,7 В на отстающем аккумуляторе.

При эксплуатации аккумуляторных батарей разрядная емкость аккумуляторов зависит от следующих факторов: массы и пористости активной массы положительных и отрицательных пластин; силы разрядного тока; температуры электролита и его плотности; химической чистоты серной кислоты, воды и материалов, из которых изготовлены решетки и активная масса пластин; чистоты поверхности крышек аккумуляторной батареи; продолжительности работы пластин и т.

д.

Увеличить емкость аккумулятора при одной и той же массе пластин можно путем увеличения числа пластин за счет уменьшения их толщины и увеличения пористости активной массы. При этом увеличивается площадь контакта пластин с электролитом (активная или рабочая поверхность пластин).

При увеличении силы разрядного тока, особенно при включении стартера, внутри пор активной массы положительных пластин образуется большое количество воды, снижается плотность электролита. Разница плотности электролита в порах положительных пластин и между пластинами негативно сказывается на состоянии аккумулятора – сернокислый свинец закупоривает поры активной массы, образуются кристаллы сернокислого свинца (процесс сульфатации пластин). Это нужно учитывать при пуске двигателя стартером, особенно в зимнее время.

Большое влияние на разрядную емкость оказывает температура электролита. Номинальная емкость гарантируется при температуре +25 ˚С.

С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры активной массы пластин, а это приводит к снижению емкости аккумулятора. С повышением температуры электролита емкость батареи будет увеличиваться, однако при этом возможно коробление пластин, сползание активной массы, разрушение решеток положительных пластин.

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи ее емкость постоянно меняется. В начале срока службы она несколько повышается вследствие увеличения площади активной массы пластин, а затем снижается из-за выпадения активной массы или ее отслаивания от решеток пластин, процессов сульфатации, уплотнения пор и т. п.

***



Для определения емкости аккумуляторной батареи ее сначала полностью заряжают силой тока

5 % от паспортной емкости и доводят плотность электролита до 1,285 г/см3. Затем батарею разряжают силой тока 5 % емкости до тем пор, пока на одном из отстающих аккумуляторов напряжение не понизится до 1,75 В. Емкость аккумулятора определяется, как произведение разрядного тока на время разрядки.

***

Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов

Емкость аккумуляторной батареи при последовательном соединении одинаковых по емкости аккумуляторов равна емкости одного аккумулятора, а ЭДС такой батареи равна сумме ЭДС аккумуляторов, входящих в нее.

При параллельном соединении аккумуляторов емкость батареи будет равна сумме емкостей всех аккумуляторов, а ЭДС будет равна сумме одного аккумулятора. Обычно параллельно соединяют аккумуляторные батареи с целью увеличения их емкости при пуске двигателя стартером, потребляющим ток большой силы.

***

Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи

От величины внутреннего сопротивления аккумуляторов (R_аб) зависит максимальная сила тока в цепи стартера при пуске двигателя.

Внутреннее сопротивление заряженной аккумуляторной батареи 3СТ-80 при плотности электролита 1,27 г/см³ и температуре +40 ˚С составляет 0,01 Ом, а при -20 ˚С увеличивается до 0,02 Ом.
Внутреннее сопротивление аккумулятора уменьшается с увеличением числа пластин и их размеров, уменьшением расстояния между пластинами, при увеличении пористости сепараторов, с увеличением плотности электролита, уменьшение кристаллов сернокислого свинца в активной массе пластин.

***

Циклы зарядки и разрядки аккумулятора



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

что же измеряется в ампер-часах

Что такое емкость автомобильного аккумулятора

Емкость автомобильного аккумулятора – это способность батареи хранить определенное количество энергии. За емкость аккумулятора отвечает количество активной массы на электродах аккумуляторной батареи. Емкость аккумулятора определяется количество активной массы (сульфата свинца) на электродах аккумулятора, поэтому емкость аккумулятора напрямую зависит от количестве пластин и их толщины. То есть чем больше активной массы, тем больше ампер часов аккумулятора и дольше времени аккумулятор способен выдавать напряжение для стартера. Так как карбюраторные автомобили заводились в мороз неохотно и перед запуском двигателя приходилось серьезно «поколдовать», приобретали аккумулятор увеличенной мощности. Это позволяло долго крутить коленчатый вал, а в случае, если залили свечи, можно было их просушить/прокалить и пытаться запустить двигатель снова.

Что такое ампер-час

Согласно ГОСТа 2008 года, Ампер/час – это способность аккумулятора выдавать ток в 200 ампер при температуре -18 градусов на протяжении определённого количества времени. Именно это количество часов является теми самыми «ампер-часами».

Сколько ампер часов в батарейке и телефоне

Мизинчиковый аккумулятор типа Ni-Mh класса AAA имеет емкость 0,8-1,2 Ампера, а пальчиковый аккумулятор AA – 2,7-3,2 А/ч.

Аккумулятор телефона Samsung A5 2017 имеет батарею 3 А/ч, а Iphone X – 2,9 А/ч

Как измерить емкость аккумулятора

Проверить номинальную емкость автомобильного аккумулятора в домашний условиях практически невозможно. Но самостоятельно вы можете измерить резервную емкость аккумулятора. Она равно времени в минутах, которое автомобиль без света фар и дополнительных потребителей может проехать с неисправным генератором. При чем, некоторые Кулибины утверждают, что емкость аккумулятора можно проверить с помощью мультиметра – это миф. Часто емкость аккумулятора прямо пропорциональна его массе.

Мифы о емкости аккумулятора

Можно ли сжечь электрооборудование, если поставить аккумулятор большой емкостью.

Нет, сжечь электрооборудование таким образом нельзя.

Как определить оставшийся срок службы (остаточный ресурс) аккумуляторной батареи (АКБ)?

Чтобы система бесперебойного питания не подвела в самый неподходящий момент, необходимо, чтобы все аккумуляторные батареи были в рабочем состоянии. Но как их проверить? Как убедиться, что установленные АКБ ещё не исчерпали свой остаточный ресурс? Как правильно оценить их оставшийся срок службы?

Строго говоря, самый правильный ответ вопрос, поставленный в такой форме – «никак». Ни один из приборов и методов не позволяет дать точный прогноз того, сколько еще проработает батарея и в какой именно момент она выйдет из строя. Причем касается это как обслуживаемых батарей (хотя в их отношении диапазон принимаемых мер несколько шире), так и необслуживаемых. При этом по всему миру обслуживаемые батареи используются все меньше, в то время как популярность необслуживаемых АКБ растет практически во всех областях применения.

Методом полного заряда/разряда батареи можно определить остаточную емкость аккумулятора в ампер-часах. Это достоверный метод, но даже он при однократном проведении не даст информации о том, сколько еще проработает батарея. Составить прогноз «времени дожития» можно только в том случае, если измерения проводятся на регулярной основе, их результаты сопоставляются между собой – т. е. оценивается динамика изменений. Однако полный заряд/разряд – процедура весьма продолжительная, и проводить ее регулярно (особенно при значительном количестве батарей) вряд ли возможно.

Однократный краткосрочный тест тем более не дает достоверной информации об остаточном ресурсе. Говорить о точном определении остаточной емкости в этом случае вообще не приходится – слишком разные существуют варианты аккумуляторов, чтобы существовала единая методика определения этого параметра. Можно измерить напряжение, но как сделать выводы на основе этих показаний, если уже частично деградировавший элемент выдает такое же напряжение, что и соседние? Возникает вопрос, можно ли вообще что-либо сказать о текущем состоянии АКБ при помощи быстрых измерений, или остается примириться с тем, что со временем, неизвестно в какой момент батарея выйдет из строя и ее придется менять? А ведь последствия такого события могут оказаться очень тяжелыми. Для ряда объектов: ЦОДов, подстанций, аэропортов, предприятий нефтегазовой отрасли, энергетики, медицинских учреждений и других, работа которых должна быть бесперебойной – подобные аварии просто неприемлемы, их необходимо предотвращать, а не устранять последствия.

Существует несколько базовых стратегий в работе с АКБ:

1. Менять батарею только тогда, когда она выйдет из строя или полностью утратит емкость. Средства на проверку состояния батарей не затрачиваются, однако весь риск неблагоприятных последствий в случае сбоя ложится на владельца объекта или предприятия. Потери от одного сбоя могут многократно превысить всю «экономию» на тестировании батарей.

2. Менять батареи по истечении определенного времени эксплуатации, независимо от их состояния. Средства на проверочные мероприятия также не затрачиваются, однако остается риск сбоя, если батарея утратит рабочие свойства раньше ожидаемого срока. Кроме того, качественные батареи часто могут работать продолжительное время и после того, как заявленный производителем срок службы (гарантийный период) истек. При таком подходе даже исправные батареи будут изыматься из эксплуатации, вызывая неоправданный рост расходов.

3. Проводить регулярное тестирование АКБ, идентифицируя батареи, которые демонстрируют начало деградации. Им заблаговременно заказывается замена, она производится тогда, когда скорость деградации увеличится, но до наступления сбоя дело не доходит.

Наиболее экономически целесообразный подход, используемый сегодня в Европе и США состоит в том, чтобы при помощи тестов, не занимающих много времени и не требующих больших затрат, регулярно (раз в квартал, полгода, год) измерять доступные параметры, документировать результаты, сопоставлять их и отслеживать ситуацию в динамике – каждый блок, каждую батарею. В этом случае по любой из батарей можно заметить момент, когда началась деградация. Пока процесс развивается медленно, за ним можно просто следить, продолжая эксплуатацию, и заменить АКБ тогда, когда свой основной ресурс она выработала, но еще не пришла в полную негодность. Фактически, это скорее организационные меры, чем технические – комплекс мероприятий, нацеленный на максимально полное использование ресурса батарей, при том, что риск аварий и, соответственно, негативных последствий минимизируется.

Как определить оставшийся срок службы АКБ исходя из внутреннего сопротивления?

Деградации подвержены любые батареи. Причины могут быть разными (повышенные температуры, истечение электролита, сульфатация в результате многократных перезарядок, понижение нагрузки и сеточная коррозия – в зависимости от типа и модели АКБ), но в любом случае это отражается на внутреннем сопротивлении элементов батареи. У штатно работающих батарей со временем из-за естественного износа внутреннее сопротивление начинает расти. Когда отклонение от базового уровня превышает 25%, батарею пора заменить (у некоторых батарей пороговый уровень выше – отклонение порядка 50% – но лучше проверить это значение по спецификациям производителя батареи). Существенное отклонение об нормы в меньшую сторону свидетельствует о явной неисправности, такую батарею необходимо заменить независимо от срока ее использования.

Строго говоря, полный импеданс включает в себя внутреннее сопротивление, индуктивную и реактивную составляющую. Однако с технологической точки зрения для оценки АКБ достаточно измерять только активную составляющую – внутреннее сопротивление адекватно отражает рабочее состояние батареи. Это вполне надежный индикатор деградации, к тому же на его измерение требуется всего несколько секунд. Подобные тесты не требуют лабораторной точности, но важно проводить их регулярно и сопоставлять результаты, полученные в разное время. По этому критерию можно быстро определить, годна батарея к дальнейшему использованию или нет. Для подобных измерений существует не так много приборов. Одни из самых популярных – семейство тестеров аккумуляторных батарей Fluke BT500 (модели BT510, BT520 и BT521).

Чтобы измерить внутреннее сопротивление тут используется 2 щупа. Приборы подают малый переменный ток, имеющий частоту 1000 Гц. Сила тока настолько мала, а частота подобрана таким образом, что измерение можно проводить прямо в ходе нагрузки, на запитываемое оборудование это никак не повлияет. Можно проводить тесты и без нагрузки. Прибор проводит измерение напряжения, производит расчет сопротивления и выводит результат на экран.

Поскольку внутреннее сопротивление исчисляется в миллиомах, для измерения используется 4-проводное подключение Кельвина, в отечественной электротехнической литературе более известное под названием двойного измерительного моста Томсона. 4 точки подключения обеспечиваются за счет конструкции щупов: каждый из них имеет двухконтактный наконечник, центральный контакт подпружинен и при надавливании утапливается внутрь. В результате каждый щуп соприкасается с поверхностью двумя контактами, реализуя 4-проводную схему подключения и обеспечивая более точное измерение внутреннего сопротивления батареи.

В зависимости от модели прибора и доступных аксессуаров возможно одновременное определение температуры на отрицательной клемме аккумуляторной батареи – для этого используется выносной щуп BTL21 со встроенным ИК-датчиком (см. таблицу «Функции и аксессуары», комплектация зависит от модели прибора). Все измерение занимает 4 секунды. Результаты выводятся на ЖК-дисплей тестера, сохраняются в памяти для последующей загрузки на ПК через порт USB и подготовки отчета при помощи входящего в комплект программного обеспечения.

Тесты проводятся быстро не только за счет скорости измерения самого прибора, но и благодаря наличию удобных щупов, к которым предусмотрены удлинители различного размера. Результаты можно не просто сохранять (в том числе автоматически), но и подразделять на группы в соответствии с количеством блоков и батарей в них, чтобы информация была представлена в четко структурированном виде. Скриншот показывает экран прибора при последовательном измерении: три батареи из 32 уже протестированы, их результаты сохранены, по четвертой выполняются измерения (результаты на экране) и будут сохранены по нажатию кнопки Save, остальные ячейки пусты для последующих измерений.

Затраты времени на измерительные процедуры для всех 100% аккумуляторных батарей на объекте не выходят за рамки разумного, в результате сопоставление полученных в разное время данных позволит определить, в каких батареях деградация только началась, а в каких достигла уровня, когда их необходимо заменить, не дожидаясь фатального сбоя.

При массовых измерениях наконечники щупов изнашиваются, но все компоненты и измерительные провода могут быть своевременно заменены на аналогичные. Можно заменять только наконечники с подпружиненными контактами. При замене тестового щупа необходимо провести калибровку нуля прибора, для этого в комплекте предусмотрена калибровочная пластина (кассета сопротивлений). Операция выполняется самим пользователем (в отличие от поверки, которая выполняется в сертифицированной организации. Приборы Fluke BT500 внесены в Государственный реестр средств измерений, на них есть методика поверки и сертификаты установленного образца. Межповерочный интервал – 1 год).
 

Можно изначально держать в запасе дополнительный комплект щупов, а также измерительные провода для режима мультиметра и (в зависимости от модели) токовые клещи. Эти аксессуары позволят дополнить измерения внутреннего сопротивления другими тестовыми функциями. Возможна оценка тока пульсации (присутствие переменной составляющей в постоянном напряжении более 5% может служить симптомом – высокое значение пульсации приводит к перегреву и потере энергии). Можно отслеживать падение напряжения при разряде (измерения проводятся многократно в ходе процесса разрядки).

Сравнительные возможности тестеров АКБ серии Fluke BT 500

 

Функции и аксессуары	Fluke BT510	Fluke BT520	Fluke BT521
Измерение внутреннего сопротивления (активной составляющей, мОм)	✓	✓	✓
Измерение напряжения батареи	✓	✓	✓
Многократное измерение напряжения в ходе разрядки	✓	✓	✓
Измерение пульсирующего напряжения (переменная составляющая в постоянном напряжении)	✓	✓	✓
Температура отрицательного полюса АКБ			✓
Режим мультиметра	✓	✓	✓
Режим однократных и последовательных измерений	✓	✓	✓
Задание пороговых значений	✓	✓	✓
Функция автоматического сохранения измерений	✓	✓	✓
Просмотр памяти	✓	✓	✓
Беспроводная связь			✓
Интерактивный тестовый зонд BTL20 с ЖК-дисплеем и динамиком, длинные и короткие удлинители, без датчика температуры		✓
Интерактивный тестовый зонд BTL21 с ЖК-дисплеем и динамиком, длинные и короткие удлинители, ИК-датчик температуры			✓
Токовые клещи i420 переменного и постоянного тока			✓
Калибровочная пластина (кассета сопротивлений)	✓	✓	✓

Необходимо подчеркнуть – приборы Fluke BT500 не дают информацию об остаточной емкости батарей, в результатах не фигурируют ампер-часы. Принципиальная позиция производителя состоит в том, что точно определить емкость можно только при полном заряде/разряде АКБ, а при быстром измерении точно сделать это нельзя в принципе, поскольку конструкции батарей и проходящие в них физико-химические процессы неодинаковы. Внутреннее сопротивление напрямую от остаточной емкости не зависит. Однако оно служит надежным критерием, позволяющим отличить батареи, годные к дальнейшему использованию, от тех, которые необходимо заменить. При регулярном тестировании риск сбоя сводится к минимуму, а на объекте обеспечивается бесперебойное функционирование систем, в которых используются АКБ.

Стандарты проверки аккумуляторных батарей

Существует несколько стандартов, регламентирующих процедуры проверки АКБ в зависимости от их типа (IEEE 450 и IEEE 1188 для стационарных свинцово-кислотных батарей, IEEE 1106 для никель-кадмиевых, есть и другие), но в основных положениях они сходятся:

1. При первоначальной установке батарей необходимо произвести испытания на разряд (проверка емкости батарей). Их может выполнять изготовитель на производственной площадке, предоставляя затем заказчику документацию, либо приемочные испытания проводятся на объекте. Чем детальнее предоставит информацию по батареям производитель, тем лучше – с этими данными можно будет сопоставлять результаты измерений, проведенных на различных этапах эксплуатации.

2. В тот же период первоначальной установки проводится тестирование внутреннего сопротивления батарей, чтобы определить их базовые параметры. Данные фиксируются для каждой батареи, в каждом блоке, и хранятся в виде сводных отчетов для будущего сопоставления.

3. Процедуры 1 и 2 необходимо повторять не реже 1 раза в 2 года для большинства систем, охватываемых гарантией – как правило, это одно из условий для продолжения действия гарантии.

4. Для большинства АКБ тестирование внутреннего сопротивления следует проводить не реже, чем раз в квартал. В некоторых случаях, если так предусмотрено производителем, батареи проверяются по годичному циклу, но для большинства моделей и типов проверка имеет квартальный график. На объектах, работа которых особо критична, может быть принят свой внутренний регламент, предусматривающий тестирование чаще, каждые 1-2 месяца.

5. В графике проверок учитывается заявленный производителем полный срок службы батарей: измерения должны проводиться как минимум по истечении каждых 25% срока службы АКБ.

6. Если батарея выработала 85% от ожидаемого срока службы, необходимо не реже раза в год подвергать ее испытанию на остаточную емкость. С такой же периодичностью тест необходимо проводить, если емкость упала ниже 90% от заявленного производителем уровня (или разница в показаниях между предыдущими измерениями составила более 10%).

7. Если проверка внутреннего сопротивления продемонстрировала большое расхождение с предыдущими результатами измерений, рекомендуется провести проверку остаточной емкости. При резком падении внутреннего сопротивления или превышении базового значения более чем на 25% батарею следует заменить.

8. Результаты измерений необходимо сохранять в четком, упорядоченном виде. По отчетам отслеживается состояние каждой батареи, и если на протяжении последних измерений она демонстрирует признаки ускоряющейся деградации, АКБ подлежит замене. Грамотное ведение отчетов позволяет заранее заказать нужные наименования в нужном количестве, чтобы произвести замену вовремя.

Выводы

За состоянием аккумуляторных батарей необходимо следить. Делать это быстро и при этом получать содержательную информацию об остаточном ресурсе АКБ помогут специальные приборы, способные измерять внутреннее сопротивление, такие как семейство тестеров Fluke BT500.

См. также:

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.

При какой ёмкости нужно менять аккумулятор iPhone на новый

AppleInsider.ru – во многом фанатский проект. Большая часть нашей аудитории пользуется сайтом на постоянной основе и даже образовала своё сообщество в Telegram. Там читатели общаются с авторами и основателями проекта, задают друг другу интересующие вопросы и получают советы по использованию устройств Apple. Однако есть как минимум один вопрос, который не перестают задавать на протяжении вот уже нескольких лет – стоит ли менять аккумулятор, если его остаточная ёмкость составляет XX%. Мы, признаться честно, поначалу добросовестно отвечали каждому, кто интересовался этой темой, а когда нам это надоело, решили написать этот пост.

Понять, что аккумулятор требует замены, несложно. Вот вам подробный разбор

Само понятие износа аккумулятора применительно к технике Apple появилось не так давно. Нет, конечно, батарейки устройств компании изнашивались и раньше, просто пользователей об это никто не оповещал и им приходилось ориентироваться на собственные ощущения. Стал iPhone держать заряд вдвое меньше положенного – значит, пришло время менять. Однако с тех пор, как в iOS появился механизм контроля износа, всех сразу стало интересовать, не пришло ли время заменить батарейку на новую. Причём задаются этим вопросом не только те, у кого остаточная ёмкость составляет меньше условных 80%, но и те, у кого едва приблизилась к 90%. Что ж, вот что на этот счёт думает сама Apple.

На сколько циклов зарядки рассчитан iPhone

Аккумулятор каждого iPhone рассчитан на 500 циклов зарядки, прежде чем он потеряет более 20% своей ёмкости

Стандартный литий-ионный аккумулятор, которым комплектуются все iPhone независимо от модели, рассчитан на сохранение 80% ёмкости после 500 полных циклов зарядки. Получается, что даже если разряжать смартфон в ноль и заряжать его каждый день, должно пройти не менее полутора лет, прежде чем его автономность начнёт сокращаться. По достижении батареей ёмкости 80% и ниже могут начать возникать проблемы с производительностью из-за того, что смартфон будет принудительно урезать мощность процессора, чтобы минимизировать скачки напряжения и не провоцировать самопроизвольных перезагрузок.

Читайте также: iPhone разряжается раньше времени? Установите iOS 13. 2

Получается, что сама по себе плохая автономность не является признаком износа. Не исключено, что iPhone разряжается раньше времени из-за сбоев в программном обеспечении, которое может исправить только Apple, или из-за чрезмерной нагрузки, которую создаёте вы сами. Игры, монтаж и просмотр видео по LTE являются довольно ресурсоёмкими процессами, способными провоцировать повышенный расход энергии. А значит, нет ничего необычного в том, что смартфон разрядился в ноль, если вы залипли на пару часов в World of Tanks Blitz или другую игру с трёхмерной графикой и спецэффектами.

Как узнать, что iPhone сбрасывает мощность

Поэтому лучше ориентироваться на снижение мощности процессора. Если вы не уверены, что производительность смартфона действительно начала страдать, перейдите в «Настройки» — «Аккумулятор» — «Состояние аккумулятора» и проверьте включена ли функция управления производительностью. Если нет, значит, с аккумулятором всё в порядке и замена ему не требуется. Дело в том, что управление производительностью включается только после первого неожиданного отключения смартфона, которое происходит как раз из-за недостатка ёмкости. Это и является лучшей лакмусовой бумажкой для определения необходимости замены батареи. Получается, что поводом для замены аккумулятора является либо сброс производительности, либо достижение им ёмкости 80% и ниже.

Читайте также: На Apple подали в суд из-за проблем с аккумуляторами

Функция управления производительностью доступна только на iPhone, начиная с модели 6s, а потому искать её на более ранних аппаратах бесполезно. Впрочем, может произойти и такое, что даже новые iPhone не смогут определить ни остаточную ёмкость аккумулятора, ни активировать функцию управления производительностью. Обычно это сопровождается комментарием о том, что смартфону не удалось определить состояние аккумулятора на этом смартфоне. В этом случае рекомендуется обратиться в сервисный центр (кстати, заменить аккумулятор на айфон можно тут), даже если проблем с автономностью вы не испытываете, поскольку батарея в вашем iPhone может быть либо неоригинальной, либо установленной с нарушениями требований Apple.

Время разряда аккумулятора в зависимости от тока нагрузки

Я, в общем, дилетант в электротехнике, поэтому прощу прощения за неточности, если они есть, а ниже изложено то, что я могу сказать по поводу времени разряда аккумулятора, потратив на это несколько часов чтения материалов из Интернета. Итак,

Емкость аккумулятора довольно часто указывают в амперчасах, ну или в миллиампер часах.
Казалось бы, все просто — есть, у тебя скажем аккумулятор емкостью (C) 800 миллиамперчасов и устройство с током потребления (I) в 100 миллиампер, значит, по формуле
,
он может обеспечить работу этого устройства на протяжении восьми часов. Так?

Конечно же, не совсем так. Количество электроэнергии, которое можно извлечь из аккумулятора, зависит от тока разряда аккумулятора. То есть при слишком большом токе разряда аккумулятор разряжается очень быстро и отдает меньше электроэнергии. Эффект этот был замечен довольно давно, но первым, кто попробовал учесть его количественно, был Пекерт (Peukert), который модифицировал формулу, внеся показатель, который теперь называют экспонента Пекерта (Peukert’s exponent).

По Пекерту, время разряда аккумулятора равно
,
где n – экспонента Пекерта.
Сp – емкость Пекерта, то есть емкость аккумулятора, измеренная при токе разряда в 1 ампер.
I – ток разряда, для которого делается расчет.

Значение экспоненты Пекерта определяется экспериментально. Оно зависит от типа аккумулятора и даже от его возраста. Обычно значение экспоненты Пекерта лежит в диапазоне от 1.1 до 1.3. Чем она меньше, тем лучше, конечно же.
Для некоторых аккумуляторов производитель его указывает, но это бывает довольно редко. Чаще можно встретить в спецификации данные по емкости аккумулятора для разного времени разряда. Этого в принципе достаточно, чтобы вычислить значение экспоненты Пекерта самому. Калькулятор ниже делает это.

Экспонента Пекерта

Точность вычисления

Знаков после запятой: 2

Экспонента Пекерта

 

content_copy Ссылка save Сохранить extension Виджет

Разберемся теперь с емкостью Пекерта; как уже сказано выше, это емкость, или количество электроэнергии, которое может отдать этот аккумулятор при токе разряда в 1 ампер.
Емкость, указанная на аккумуляторе, это, конечно же, не оно. Это емкость, полученная при токе разряда, соответствующем какому-либо значению C-рейтинга (C-Rate).
Емкость с рейтингом 1С, это емкость, получаемая от аккумулятора при разряде его током, соответствующим этой же емкости. То есть 1000 миллиапмерчасов с рейтингом 1С означает, что данный аккумулятор способен обеспечивать ток в 1000 миллиампер в течении 1 часа. Емкость с рейтингом 0.05С это емкость, получаемая от аккумулятора при разряде его током, соответствующим 0.05 емкости. То есть 1000 миллиамперчасов с рейтингом 0.05С означает, что данный аккумулятор способен обеспечивать ток 50 миллиампер в течении 20 часов. Как уже можно догадаться, из-за эффекта Пекерта такой аккумулятор не сможет обеспечить 1000 миллиампер в течении часа. Время будет меньше.
Так вот, некоторые производители указывают C-рейтинг своего аккумулятора. Иногда как C-рейтинг, например, 0.05C или , иногда как «100 Амперчасов за 20 часов». А некоторые производители — не указывают. Наиболее частым значением в этом случае является рейтинг 0.05С () или «за 20 часов». То есть можно смело рассчитывать на 20 часов работы, но при токе в 20 раз меньше тока, соответствующего указанной емкости.

Зная этот рейтинг, можно перейти от емкости, указанной на аккумуляторе, к емкости Пекерта, и использовать ее для расчета.
Емкость Пекерта в этом случае равна
, где
С — емкость аккумулятора
R — рейтинг выраженный в часах, соответсвующий данной емкости, например, 20.
n — экспонента Пекерта
Подробнее можно почитать здесь. Там еще много интересного про формулу Пекерта есть.

Зная емкость, рейтинг в часах, ток нагрузки и экспоненту Пекерта можно рассчитать время разряда. Калькулятор ниже делает это для разного процента разряда.

Зачем нужен процент разряда? Дело в том, что для многих типов аккумуляторов невозможно извлечь всю запасенную энергию, не повредив фатально при этом сам аккумулятор. Это зависит от химии аккумулятора. Поэтому обычно производители указывают допустимую глубину разряда (Depth of Discharge, DOD). Например, если указана глубина разряда 20% (это верно для большинства автомобильных аккумуляторов, кстати), то сильно не рекомендуется использовать более 20% мощности батареи. Иногда даже указывают допустимую дневную норму разряда.

Время разряда батареи в зависимости от тока нагрузки

Номинальная емкость батареи, Ампер час

Время работы для номинальной емкости, часы

Точность вычисления

Знаков после запятой: 3

Файл очень большой, при загрузке и создании может наблюдаться торможение браузера.

Загрузить close

Емкость Пекерта, Ач

 

Номинальный ток разряда, А

 

content_copy Ссылка save Сохранить extension Виджет

Из всего вышеизложенного понятно, что при малых токах потребления аккумулятор может обеспечить большее время работы. Это, в принципе так. Но не стоит доводить до крайностей — нельзя взять аккумулятор большой емкости, подключить к нему небольшую нагрузку и рассчитывать, что он сможет работать практически вечно 🙂
Тут в дело вступают уже другие эффекты, например, эффект саморазряда аккумулятора. NiMH аккумуляторы теряют саморазрядом до 30% заряда за месяц.

Поиграться с зависимостью времени работы от тока можно с калькулятором ниже.

Время разряда батареи в зависимости от тока нагрузки

Номинальная емкость батареи, Ампер час

Время работы для номинальной емкости, часы

Точность вычисления

Знаков после запятой: 3

Номинальный ток разряда, А

 

Емкость Пекерта, Ач

 

Зависимость времени разряда от тока нагрузки

Файл очень большой, при загрузке и создании может наблюдаться торможение браузера.

Загрузить close

content_copy Ссылка save Сохранить extension Виджет

Как определить AH 12-вольтовой батареи

Существуют различные типы батарей, предназначенные для выполнения определенных функций в зависимости от емкости и скорости разряда данной батареи. Батареи оцениваются на основе этих функций, при этом рейтинговые системы различаются в зависимости от задачи, которую аккумулятор должен выполнять. Ампер-часы или ампер-часы (Ач) используются для выражения того, как долго аккумулятор может работать при разряде заданного количества энергии, и используются для оценки аккумуляторов, предназначенных для обеспечения низкого тока в течение длительного периода времени.Если вы хотите определить AH-рейтинг батареи, изначально не рассчитанной в ампер-часах, вы можете сделать это дома с помощью мультиметра и нескольких часов мониторинга.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Батареи оцениваются в измерениях в зависимости от задач, которые они должны выполнять. Например, батареи с номиналом в ампер-часах (AH, также называемые ампер-часами) предназначены для обеспечения низкого тока в течение длительного периода. Чтобы определить рейтинг AH 12-вольтовой батареи, используйте мультиметр.Подключите базовый резистор к клеммам батареи, затем контролируйте разряд с течением времени, пока напряжение не упадет до 12 вольт. Затем вы можете использовать измерение тока батареи для расчета рейтинга AH.

Подготовка батареи

Чтобы определить рейтинг AH 12-вольтовой батареи, еще не рассчитанной в ампер-часах, сначала убедитесь, что батарея полностью заряжена. Если аккумулятор не новый, его следует зарядить с помощью зарядного устройства, а затем оставить на несколько часов для устранения поверхностного заряда.С помощью мультиметра измерьте напряжение на двух выводах батареи. Полностью заряженная 12-вольтовая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея должна иметь напряжение на клеммах не менее 12,6 В. Если это так, аккумулятор готов к тестированию.

Проверка разрядки

Подключите резистор примерно 1 Ом и 200 Вт к клеммам аккумулятора. Во время тестирования ваш мультиметр должен отображать ток около 12 ампер, но если это не так, обратите внимание на отображаемый ток.Чтобы рассчитать рейтинг AH вашей батареи, вам нужно будет определить, сколько времени требуется, чтобы батарея разрядилась примерно до 50 процентов емкости. Для этого контролируйте напряжение один раз в час в течение следующих нескольких часов, делая записи на протяжении всего процесса.

Напряжение должно снижаться примерно на 0,1 В каждые два часа. Если уменьшение происходит быстрее, сопротивление, обеспечиваемое вашим резистором, слишком мало, а ваш ток слишком велик, чтобы обеспечить правильную оценку. Вам потребуется подключить резистор большего размера, чтобы повторить процедуру проверки.Напряжение аккумулятора должно упасть примерно до 12 вольт примерно через 10 часов. Обратите внимание на точное количество часов, и вы сможете рассчитать рейтинг AH батареи.

Расчет AH

Как только ваша батарея разрядится примерно до половины емкости, вы можете рассчитать номинальную емкость батареи в ампер-часах с помощью простого уравнения. Умножьте ток батареи (измеренный через резистор) на время, необходимое для снижения напряжения до 12 вольт, чтобы определить номинал для половинного заряда.Умножьте это число на два, чтобы узнать истинный рейтинг AH вашего аккумулятора. Например, если ток вашей батареи составлял 12 ампер, а напряжение достигло 12 вольт ровно через 10 часов, то емкость батареи составляет 12 x 10 x 2 = или всего 240 Ач.

Срок службы батареи и факторы производительности

Есть несколько факторов, которые существенно влияют на срок службы батареи. Я постараюсь обобщить основные проблемы, связанные с производительностью батареи:

1- Циклический срок службы

Срок службы батареи в основном определяется циклами использования батареи.AGM или залитый аккумулятор может иметь срок службы от 300 до 700 циклов при нормальном использовании; однако у гелевой батареи может быть от 500 до 5000 циклов.

Батарея завершает цикл после зарядки и один раз разряжается. В солнечной системе батареи заряжаются днем ​​и частично разряжаются ночью. В этом случае один цикл соответствует одному дню.

2- Эффект глубины разряда (DOD)

Чем сильнее работает аккумулятор, тем скорее он выйдет из строя. Это означает, что более высокий вывод мощности приведет к сокращению жизненного цикла. Вот таблица, объясняющая влияние глубины разряда.

Зависимость способности типичной батареи VRLA от циклической смены глубины разряда
	Типичный жизненный цикл
Выведенная мощность	Гелевый аккумулятор	AGM или залитый аккумулятор
100%	450	200
80%	600	250
50%	1000	500
25%	2100	1200
10%	5700	3200

3- Влияние температуры

Температура является основным фактором, влияющим на характеристики батареи, срок ее хранения, зарядку и контроль напряжения. При более высоких температурах внутри батареи значительно выше химическая активность, чем при более низких температурах. Следовательно, емкость батареи ниже при слишком низкой температуре окружающей среды. (например, аккумуляторная батарея, которая зимой хранится на открытом воздухе)

Для большинства батарей рекомендуемый диапазон температур 65-90 F. При более высоких температурах срок службы батареи значительно сократится. Можно сделать вывод, что низкая температура плохо сказывается на производительности аккумулятора; более высокая температура не способствует сроку службы батареи.

4- Напряжение и скорость перезарядки

Все свинцово-кислотные батареи выделяют водород с отрицательной пластины и кислород с положительной пластины во время зарядки. Батареи с регулируемым клапаном (VRLA) имеют клапаны, чувствительные к давлению. Без способности удерживать давление внутри ячеек водород и кислород будут потеряны в атмосферу, в конечном итоге высушивая электролит и сепараторы.
Батарея может хранить только определенное количество электроэнергии. Чем ближе он к полной зарядке, тем медленнее его нужно заряжать.

Обычно аккумулятор заряжается до 90% за 60% общего времени зарядки; оставшиеся 10% займут до 40% общего времени. Поэтому очень важно использовать подходящий контроллер заряда, чтобы регулировать напряжение и скорость заряда при зарядке аккумулятора.

Любая батарея VRLA высыхает и преждевременно выходит из строя в случае чрезмерного перезаряда.

Следует отметить, что диапазон напряжения 13,8–14,1 В для будет означать, что батарея полностью заряжена для гелевой батареи , тогда как 14.Диапазон напряжения 4–14,6 В будет означать, что батарея полностью заряжена AGM .

Полностью разряженный аккумулятор составляет 11,8-12,0 Вольт .

Номинальные характеристики батареи | Аккумуляторы и системы питания

Поскольку батареи создают ток в цепи, обменивая электроны в ионно-химических реакциях, а в любой заряженной батарее, доступной для реакции, существует ограниченное количество молекул, должен быть ограниченный общий заряд, который любая батарея может стимулировать через цепь до того, как его энергетические запасы будут исчерпаны. Емкость батареи можно измерить по общему количеству электронов, но это будет огромное количество. Мы могли бы использовать единицу кулонов (равную 6,25 x 10 ₁₈ электронов, или 6,250,000,000,000,000,000 электронов), чтобы сделать эти количества более практичными для работы, но вместо этого была изготовлена ​​новая единица, ампер-час . для этого. Поскольку 1 ампер на самом деле представляет собой расход 1 кулон электронов в секунду, а в часе 3600 секунд, мы можем установить прямую пропорцию между кулонами и ампер-часами: 1 ампер-час = 3600 кулонов.Зачем создавать новую единицу, если старая подойдет? Конечно, чтобы усложнить вам жизнь студентов и техников!

Приложение для измерения емкости аккумулятора в ампер-часах

Батарея емкостью 1 ампер-час должна обеспечивать непрерывную подачу тока 1 ампер на нагрузку ровно 1 час, или 2 ампера в течение 1/2 часа, или 1/3 ампер в течение 3 часов и т. Д., прежде чем полностью разрядиться. В идеальном аккумуляторе соотношение между непрерывным током и временем разряда является стабильным и абсолютным, но настоящие аккумуляторы не ведут себя точно так, как указывает эта простая линейная формула. Следовательно, когда для батареи указывается емкость в ампер-часах, она указывается либо при заданном токе, в данное время, либо предполагается, что она рассчитана на период времени 8 часов (если не указан ограничивающий фактор).

Например, средняя автомобильная батарея может иметь емкость около 70 ампер-часов при силе тока 3,5 ампера. Это означает, что время, в течение которого эта батарея может непрерывно подавать ток 3,5 А на нагрузку, составит 20 часов (70 А-часов / 3,5 А). Но предположим, что к этой батарее подключена нагрузка с более низким сопротивлением, непрерывно потребляющая 70 ампер.Наше уравнение в ампер-часах говорит нам, что батарея должна продержаться ровно 1 час (70 ампер-часов / 70 ампер), но в реальной жизни это может быть не так. При более высоких токах батарея будет рассеивать больше тепла через свое внутреннее сопротивление, что приведет к изменению химических реакций, происходящих внутри. Скорее всего, батарея полностью разрядится за время до расчетного времени 1 час при этой большей нагрузке.

И наоборот, если к батарее будет подключена очень легкая нагрузка (1 мА), наше уравнение скажет нам, что батарея должна обеспечивать питание в течение 70000 часов или чуть менее 8 лет (70 ампер-часов / 1 миллиампер), но есть вероятность, что большая часть химической энергии в реальной батарее была бы потрачена из-за других факторов (испарение электролита, износ электродов, ток утечки внутри батареи) задолго до того, как истекут 8 лет.Следовательно, мы должны принять соотношение ампер-часов как идеальное приближение к сроку службы батареи, а рейтинг ампер-часов, которому доверяют, только близок к указанному току или временному интервалу, указанному производителем. Некоторые производители предоставляют коэффициенты снижения номинальных характеристик в ампер-часах, определяющие снижение общей емкости при различных уровнях тока и / или температуры.

Для вторичных ячеек номинальная мощность в ампер-часах определяет необходимое время зарядки при любом заданном уровне зарядного тока. Например, автомобильному аккумулятору на 70 ампер-час в предыдущем примере требуется 10 часов для зарядки из полностью разряженного состояния при постоянном токе зарядки 7 ампер (70 ампер-часов / 7 ампер).

Приблизительная емкость некоторых распространенных аккумуляторов приведена здесь:

• Типичный автомобильный аккумулятор: 70 А · ч при 3,5 А (вторичный элемент)
• Угольно-цинковая батарея типоразмера D: 4,5 А · ч при 100 мА (первичный элемент)
• Угольно-цинковая батарея 9 В: 400 мА · ч при 8 мА (первичный элемент)

Как проверить состояние аккумулятора – с нагрузкой и без нее?

По мере того, как батарея разряжается, она не только уменьшает свой внутренний запас энергии, но также увеличивается ее внутреннее сопротивление (поскольку электролит становится все менее и менее проводящим), а напряжение в ячейке холостого хода уменьшается (поскольку химикатов становится все больше и больше. разбавить). Самое обманчивое изменение, которое демонстрирует разряжающийся аккумулятор, – это повышенное сопротивление. Лучшая проверка состояния батареи – это измерение напряжения под нагрузкой , в то время как батарея обеспечивает значительный ток через цепь. В противном случае простая проверка вольтметром на клеммах может ошибочно указать на исправную батарею (соответствующее напряжение), даже если внутреннее сопротивление значительно увеличилось. Что представляет собой «значительный ток», определяется конструктивными параметрами батареи.Проверка вольтметром, чтобы выявить слишком низкое напряжение, конечно же, положительно укажет на разряженную батарею:

Полностью заряженный аккумулятор:

Вот если аккум разрядился немного. . .

. . . и разряжается немного дальше. . .

. . . и еще немного, пока он не мертв.

Обратите внимание, насколько лучше выявляется истинное состояние батареи, когда ее напряжение проверяется под нагрузкой, а не без нагрузки. Значит ли это, что проверять батарею только вольтметром (без нагрузки) бессмысленно? Ну нет. Если простая проверка вольтметром показывает только 7,5 В для 13,2-вольтовой батареи, то вы без сомнения знаете, что она разряжена. Однако, если вольтметр покажет 12,5 вольт, он может быть почти полностью заряжен или несколько разряжен – этого нельзя будет сказать без проверки нагрузки. Помните также, что сопротивление, используемое для помещения батареи под нагрузку, должно быть рассчитано с учетом ожидаемого количества рассеиваемой мощности. Для проверки больших аккумуляторов, таких как автомобильные (номинальное напряжение 12 В) свинцово-кислотные аккумуляторы, это может означать резистор с номинальной мощностью в несколько сотен ватт.

ОБЗОР:

• ампер-час – это единица энергетической емкости батареи, равная величине непрерывного тока, умноженной на время разряда, которую батарея может подавать до того, как исчерпает свой внутренний запас химической энергии.

• Номинал батареи в ампер-часах является лишь приблизительной величиной емкости заряда батареи и заслуживает доверия только при текущем уровне или времени, указанном производителем. Такой рейтинг нельзя экстраполировать на очень высокие токи или очень большие времена с какой-либо точностью.
• Разряженные батареи теряют напряжение и повышается сопротивление. Лучшая проверка разряженного аккумулятора – это проверка напряжения под нагрузкой.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Сравнение химического состава аккумуляторных элементов

Вы можете ввести в заблуждение множество различных терминов, связанных с емкостью аккумулятора, например Wh, mAh, Ah … Вот несколько советов, которые помогут вам понять:

1. Wh означает ватт-час.

Батарея емкостью 100 Вт · ч может обеспечивать мощность 100 Вт в течение 1 часа, мощность 20 Вт в течение 5 часов.

Это устройство, которое BiXPower любит использовать, поскольку оно намного точнее и может сравнивать разные батареи. Аккумулятор на 200 Втч наверняка имеет больше емкости, чем аккумулятор на 100 Втч.

2. мАч или Ач означает миллиампер-час (мАч) или ампер-час (Ач).

Это очень вводящая в заблуждение единица. Когда аккумулятор рассчитан на мАч или Ач, он всегда должен быть связан с напряжением. Емкость аккумулятора 10 Ач при 12 В больше, чем у аккумулятора 10 Ач при 5 В.

Однако на рынке очень много литиевых батарей, в которых не указывается напряжение при заявленной емкости мАч (или Ач).В этих случаях, скорее всего, они измеряют напряжение элемента литиевой батареи, которое составляет 3,6 В или 3,7 В. К моменту 3,6 (или 3,7), разделенному на 1000, получится его точная мощность в ватт-часах. Например, фактическая емкость аккумулятора на 10000 мАч составляет 10000 x 3,6 / 1000 = 36 Вт-час.

Вы можете сравнить два емкость аккумуляторов на ампер-час только при одинаковом напряжении. Если два батареи имеют разное напряжение, при использовании ватт-часов будет больше точный.

Батарея емкостью 1 ампер-час может обеспечивать питание 1 ампер в течение 1 часа.
1 Ватт-час = 1 Ампер-час x 1 Вольт.

Мы рекомендуем сравнивать емкости аккумуляторов по ватт-часам, а не ампер-часам. Ватт-час – более точная единица измерения показать емкость, чем ампер-час при сравнении батарей с разные выходные напряжения.

3. Емкость аккумулятора и максимальная выходная мощность – это два разных понятия. Батарея емкостью 300 Вт может выдавать только максимальную мощность 100 Вт.

Представьте себе автомобильный бензобак. Емкость – это сколько галлонов бензина может вместить бак.Выходная мощность – это скорость автомобиля Аккумулятор с большой емкостью Втч (или мАч) похож на автомобиль с большим баком. Автомобиль с большим бензобаком может проехать очень большие расстояния, но это не означает, что автомобиль может двигаться с очень высокой скоростью. Аккумулятор с большой емкостью в ампер-часах может работать долго, но это не означает, что батарея может выдавать большой ток в амперах. .

4. Номинальная емкость и фактическая выходная мощность:

А аккумулятор Емкость в ватт-часах обычно рассчитывается на основе номинальной емкости аккумуляторных элементов.Например, если номинальная емкость аккумуляторных элементов составляет 3,7 В x 2350 мАч = 8,7 Вт · ч, а аккумуляторная батарея состоит из 18 элементов, то емкость аккумулятора составляет 8,7 x 18 = 156,6 Вт · ч.

Емкость элемента батареи рассчитывается в стандартных условиях испытаний и позволяет сравнивать различные элементы батареи. Однако фактическая выходная мощность элемента батареи в реальных условиях обычно меньше номинальной выходной мощности. Условия никогда не бывают такими идеальными, как в лаборатории.

При использовании многих аккумуляторных элементов для изготовления аккумуляторной батареи может потребоваться добавить много дополнительных схем управления для обеспечения безопасности и некоторой функции зарядки / разрядки. Эти дополнительные схемы должны потреблять немного энергии от аккумуляторных элементов. Литий-ионный аккумулятор саморазрядится во время хранения. Чтобы предотвратить чрезмерную разрядку литий-ионной батареи, схемы защиты литиево-ионной батареи отключают выход батареи до того, как она фактически полностью разрядится. Фактическая выходная мощность аккумуляторного блока будет меньше номинальной емкости аккумулятора из-за этих факторов.

Срок службы батареи и способы его увеличения

Ограниченный срок службы батарей обусловлен нежелательными химическими или физическими изменениями или потерей активных материалов, из которых они сделаны. В противном случае они длились бы бесконечно. Эти изменения обычно необратимы и влияют на электрические характеристики элемента.На этой странице описаны факторы, влияющие на срок службы батареи.

Срок службы батареи обычно можно продлить, только предотвратив или уменьшив причину нежелательных паразитических химических эффектов, возникающих в элементах. Способы увеличения срока службы батареи и, следовательно, надежности, также рассматриваются ниже.

Календарная жизнь и жизненный цикл

Производительность батареи со временем ухудшается вне зависимости от того, используется она или нет.Это известно как «исчезновение календаря». Производительность также ухудшается при использовании, и это известно как «циклическое затухание»

• Срок службы батареи в календаре – это время, по истечении которого батарея станет непригодной для использования вне зависимости от того, активно она используется или неактивна. На календарную жизнь влияют два ключевых фактора, а именно температура и время, и эмпирические данные показывают, что эти эффекты могут быть представлены двумя относительно простыми математическими зависимостями.Эмпирическое правило, выведенное из закона Аррениуса, описывает, как скорость, с которой протекает химическая реакция, удваивается на каждые 10 градусов повышения температуры, в данном случае оно применяется к скорости, с которой увеличивается медленное разложение активных химических веществ. Точно так же соотношение t ^1/2 (или √t ) показывает, как внутреннее сопротивление батареи также увеличивается со временем t . График ниже иллюстрирует эти эффекты.

• Срок годности батареи , как календарный срок, – это время, в течение которого неактивная батарея может храниться до того, как она станет непригодной для использования, обычно считается, что она имеет только 80% своей начальной емкости.См. Также Аккумулятор

• Срок службы батареи определяется как количество полных циклов заряда-разряда, которое батарея может выполнить до того, как ее номинальная емкость упадет ниже 80% от ее начальной номинальной емкости. Ключевыми факторами, влияющими на срок службы, являются время t и количество завершенных циклов заряда-разряда N . Очевидным примером является глубина разряда (см. Ниже), которая представляет собой простую взаимную математическую зависимость, но есть много более сложных факторов, которые также могут влиять на производительность.

Типичный срок службы от 500 до 1200 циклов. Фактический процесс старения приводит к постепенному снижению емкости с течением времени. Когда ячейка достигает указанного срока жизни, она не перестает работать внезапно. Процесс старения продолжается с той же скоростью, что и раньше, поэтому элемент, емкость которого упала до 80% после 1000 циклов, вероятно, продолжит работать, возможно, до 2000 циклов, когда его эффективная емкость упадет до 60% от первоначальной емкости.Следовательно, нет необходимости опасаться внезапной смерти, когда клетка достигает конца указанного срока жизни. См. Также «Рабочие характеристики».

Альтернативная мера жизненного цикла основана на внутреннем сопротивлении элемента. В этом случае срок службы определяется как количество циклов, которое батарея может выполнить до того, как ее внутреннее сопротивление увеличится на согласованную величину, обычно в 1,3 раза или в два раза по сравнению с первоначальным значением, когда она новая.

В обоих случаях срок службы зависит от глубины разряда и предполагает, что аккумулятор полностью заряжен и разряжается каждый цикл. Если батарея разряжается только частично в каждом цикле, срок службы в цикле будет намного больше. См. Глубину разряда ниже. Поэтому важно указать глубину разряда при указании срока службы.

Когда указываются аккумуляторные системы, обычно размер батареи определяется исходя из ее емкости на конец срока службы, а не ее емкости в новом состоянии.

См. Также Смысл жизни

Остерегайтесь несоответствующих условий испытаний

На приведенном ниже графике показаны результаты циклических испытаний аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, продаваемых в США. Очевидным выводом было бы то, что, если бы батареи были полностью разряжены и заряжались большую часть дней, их хватило бы как минимум на 500 циклов, что было бы эквивалентно от одного до двух лет вождения и даже дольше, если бы батареи были только частично разряжены. каждый день.

НО владельцы транспортных средств в Аризоне и Калифорнии испытали время автономной работы всего несколько месяцев, прежде чем емкость упала ниже 80% от «нового» значения с типичным снижением емкости на 27,5% всего за 300 циклов, даже если температура окружающей среды была значительно ниже 60 ° C, что приводит к жалобам, судебным искам и затруднениям для производителя электромобилей.

Объяснение состояло в том, что циклические испытания проводились с типичным повторяющимся циклом при указанных скоростях заряда и разряда 1.5C и 2,5C с очень короткими периодами отдыха между циклами, так что батарея заряжалась за 40 минут и разряжалась за 24 минуты, что занимало чуть более часа на цикл. При такой скорости 500 циклов будут выполнены примерно за три недели, но при фактическом использовании для завершения 500 циклов потребуется почти два года. Был сделан вывод о том, что «циклы испытаний» продолжительностью в час были намного короче, чем типичные «циклы использования», которые могут длиться день или более, и что типичные «ускоренные» циклические испытания не учитывали влияние старения клеток с учетом календаря. жизни, и мы знаем из приведенного выше графика, что календарная жизнь сильно зависит от температуры окружающей среды.

Это было подтверждено испытаниями, которые парадоксальным образом показывают, что, несмотря на ожидаемый благоприятный эффект от более низких рабочих скоростей C, за счет уменьшения скорости заряда и разряда до C / 100 или C / 200, то есть 200 часов или более за полный цикл, Срок службы батареи фактически сокращается, особенно при высоких температурах. Это просто потому, что календарные потери жизни становятся тем значительнее, чем больше продолжительность цикла.

Следовательно, ожидаемый срок службы должен быть рассчитан на основе комбинации срока службы в цикле и календарного срока службы.Однако это длительный и дорогостоящий процесс, требующий, чтобы многие образцы подвергались циклическому использованию до конца срока их службы, а другие тестировались при различных температурах в различных условиях окружающей среды. См. Нетрадиционную альтернативу циклическому тестированию (ниже) для определения срока службы батареи, который может решить эту проблему.

Наиболее важной причиной календарных потерь срока службы является накопление пассивирующего слоя нежелательных химикатов на поверхности анода элемента, который увеличивает его импеданс при одновременном уменьшении объема активных химикатов в элементе.Подробнее о пассивирующем слое см. Ниже.

Следует отметить, что рассматриваемая модель не имела активной системы управления температурой, которая могла бы уменьшить эту проблему, поддерживая батарею прохладной, по крайней мере, некоторое время.

Химические изменения

Батареи – это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию в электрическую или наоборот посредством контролируемых химических реакций между набором активных химических веществ.К сожалению, желаемые химические реакции, от которых зависит аккумулятор, обычно сопровождаются нежелательными паразитическими химическими реакциями, которые потребляют некоторые из активных химикатов или препятствуют их реакциям. Даже если активные химические вещества элемента остаются неизменными с течением времени, элементы могут выйти из строя из-за нежелательных химических или физических изменений уплотнений, удерживающих электролит на месте.

Истощение активных химических веществ

При различных условиях давления, температуры, электрического поля и продолжительности реакции активные химические вещества в клетке могут разрушаться или объединяться множеством различных способов. Согласно Guoxian Liang, компании Phostech Lithium, производящей материалы, следующие комбинации элементов, используемых в катодах литий-железо-фосфатных элементов, были обнаружены в некоторых загрязненных продуктах в дополнение к желаемому активному соединению LiFePO ₄ :

Fe ₃ (PO ₄ ) ₂ , Li ₃ Fe ₂ (PO ₄ ) ₃ , Fe ₂ PO ₅ , Fe ₂ P ₂ O ₇ , FePO ₄ , Fe (PO ₃ ) ₃ , Fe ₇ (PO ₄ ) ₆ , Fe ₂ P ₄ O ₁₂ , Fe ₃ (PO ₄ ) ₂ , Fe ₃ (P ₂ O ₇ ) ₂ , FePLi ₂ O, LiPO ₃ , Li ₂ O, Li ₃ PO ₄ , Li ₄ P ₂ O ₇ , Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , FeO, Fe, FeP, LiFeO ₂ , Li ₅ FeO ₄ , LiFeP ₂ O ₇ , Li ₂ FeP ₂ O ₇ , Li ₉ Fe ₃ (P ₂ O ₇ ) (ПО ₄ ) _{2 90 159, П 2 О 5 и др. Эти соединения образуются только из материала катода, но есть много других элементов, присутствующих в анодах, электролитах, связующих и других добавках, которые используются в элементе, что делает возможным гораздо больше комбинаций. Результатом является уменьшение количества активных химических веществ в клетке и, как следствие, уменьшение емкости клетки.}

Загрязнение активных химикатов также создает зародышевые точки, из которых могут инициироваться дальнейшие нежелательные химические реакции.

Воздействие на аккумулятор чрезмерного тока также вызывает эти проблемы, приводящие к сокращению срока службы аккумулятора. См. Раздел «Время зарядки» в разделе «Зарядные устройства» и примечания по пассивации и скорости зарядки ниже.

Задачей разработчиков элементов и инженеров по применению аккумуляторов является создание электрохимического рецепта и стабильных рабочих условий, чтобы гарантировать оптимизацию желаемых реакций и подавление нежелательных побочных эффектов.

Температурные эффекты

Внутренние химические реакции аккумулятора вызываются напряжением или температурой. Чем горячее аккумулятор, тем быстрее протекают химические реакции. Таким образом, высокие температуры могут обеспечить повышенную производительность, но в то же время скорость нежелательных химических реакций увеличится, что приведет к соответствующему снижению срока службы батареи. Срок годности и сохранение заряда зависят от скорости саморазряда, а саморазряд является результатом нежелательной химической реакции в элементе.Подобные неблагоприятные химические реакции, такие как пассивация электродов, коррозия и выделение газов, являются частыми причинами сокращения срока службы. Таким образом, температура влияет как на срок хранения, так и на продолжительность цикла, а также на удержание заряда, поскольку все они являются результатом химических реакций. Даже батареи, специально разработанные для высокотемпературных химических реакций (например, батареи Zebra), не защищены от отказов, вызванных нагревом, которые являются результатом паразитных реакций внутри элементов.

Уравнение Аррениуса определяет соотношение между температурой и скоростью, с которой происходит химическое воздействие. Это показывает, что скорость экспоненциально увеличивается с повышением температуры. Выдается:

Где

k – скорость протекания химической реакции

A – коэффициент частоты, связанный с частотой столкновений между молекулами, обычно принимаемый как постоянный в небольших диапазонах температур.

e – математическая константа = 2,71828

E _A – энергия активации. Константа, представляющая минимальную энергию, необходимую для возникновения реакции.

R – универсальная газовая постоянная

T – температура в градусах Кельвина

RT – средняя кинетическая энергия реакции

Как более удобное эмпирическое правило, приближение, которое верно для температур около комнатной – на каждые 10 ° C повышения температуры скорость реакции удваивается . Таким образом, час при 35 ° C эквивалентен по времени автономной работы двум часам при 25 ° C. Тепло – враг батареи, и, как показывает Аррениус, даже небольшое повышение температуры будет иметь большое влияние на характеристики батареи, влияя как на желаемые, так и на нежелательные химические реакции.

На приведенном ниже графике показано, как срок службы трубчатых свинцово-кислотных аккумуляторов Ironclad большой емкости, используемых в резервных приложениях в течение нескольких лет, зависит от рабочей температуры.Обратите внимание, что при работе при температуре 35 ° C батареи будут иметь емкость, превышающую их номинальную, но их срок службы будет относительно коротким, тогда как увеличенный срок службы возможен, если батареи поддерживаются при температуре 15 ° C.

В качестве примера важности температурных условий хранения. Химия никель-металлгидрида (NiMH), в частности, очень чувствительна к высоким температурам.Испытания показали, что постоянное воздействие температуры 45 ° C сокращает срок службы батареи I-MH на 60 процентов, и, как и у всех батарей, скорость саморазряда удваивается с каждым повышением температуры на 10 ° C.

Помимо постепенного износа элемента с течением времени, в условиях неправильного обращения воздействие температуры может привести к преждевременному выходу элемента из строя. Это может произойти даже при нормальных условиях эксплуатации, если количество тепла, выделяемого батареей, превышает скорость потери тепла в окружающую среду.В этой ситуации температура батареи будет продолжать повышаться, что приведет к состоянию, известному как тепловой разгон, что в конечном итоге приведет к катастрофическим последствиям.

Вывод таков: повышенные температуры при хранении или использовании серьезно влияют на срок службы батареи.

См. Дополнительную информацию в разделах «Отказы литиевых батарей» и «Управление температурным режимом».

Влияние давления

Эти проблемы относятся только к запечатанным элементам.

Повышенное внутреннее давление в ячейке обычно является следствием повышения температуры. Несколько факторов могут играть роль в повышении температуры и давления. Чрезмерные токи или высокая температура окружающей среды вызовут повышение температуры элемента, а вызванное этим расширение активных химикатов, в свою очередь, вызовет повышение внутреннего давления в элементе.Перезарядка также вызывает повышение температуры, но, что более важно, перезарядка также может вызвать выделение газов, что приведет к еще большему увеличению внутреннего давления.

К сожалению, повышенное давление имеет тенденцию усиливать эффекты высокой температуры за счет увеличения скорости химических воздействий в элементе, не только желаемой гальванической реакции, но и других факторов, таких как скорость саморазряда или, в крайних случаях, способствующих тепловому разгоне. Чрезмерное давление может также вызвать механические отказы внутри ячеек, такие как короткое замыкание между частями, прерывания на пути тока, деформация или вздутие корпуса элемента или, в худшем случае, фактический разрыв корпуса элемента. Все эти факторы сокращают потенциальный срок службы батареи.

Обычно следует ожидать, что такие проблемы возникнут только в ситуациях злоупотребления. Однако производители не могут контролировать, как пользователь обращается с ячейками после того, как они покинули завод, и по соображениям безопасности в ячейки встроены вентиляционные отверстия для сброса давления, чтобы обеспечить контролируемый сброс давления, если есть вероятность, что оно может достигнуть опасного уровня.

Внешнее давление или его отсутствие также может быть проблемой при транспортировке батарей по воздуху. Низкое давление в трюме могло вызвать выброс и потерю электролита.

См. Также Защита / вентиляция и потеря электролита

Глубина разряда (DOD)

При заданной температуре и скорости разряда количество активных химикатов, преобразованных с каждым циклом заряда-разряда, будет пропорционально глубине разряда.

Связь между сроком службы и глубиной разряда представляется логарифмической, как показано на графике ниже. Другими словами, количество циклов, обеспечиваемых батареей, растет экспоненциально, чем меньше глубина разряда. Это справедливо для большинства видов химии клеток.

(Однако эта кривая просто выглядит как логарифмическая. На самом деле это обратная кривая, нарисованная на логарифмической бумаге).

Глубина разряда в зависимости от срока службы

Приведенный выше график был построен для свинцово-кислотной батареи, но с различными коэффициентами масштабирования, он типичен для всех химических элементов, включая литий-ионные. Это связано с тем, что срок службы батареи зависит от общей пропускной способности энергии, которую могут выдерживать активные химические вещества. Игнорируя другие эффекты старения, общая пропускная способность фиксирована таким образом, что один цикл с DOD 100% примерно эквивалентен 2 циклам с DOD 50%, 10 циклам с DOD 10% и 100 циклам с DOD 1%. См. Также «Срок службы», в котором показано, как снижается производительность элемента из-за ухудшения содержания активных химикатов по мере старения аккумулятора.

Здесь есть важные уроки как для дизайнеров, так и для пользователей.Ограничивая возможное DOD в приложении, разработчик может значительно улучшить жизненный цикл продукта. Точно так же пользователь может продлить срок службы батареи, используя элементы с емкостью, немного превышающей требуемую, или доливая батарею до того, как она полностью разрядится. Для ячеек, используемых для «микроциклов» (небольшой разряд тока и зарядные импульсы), обычным является срок службы от 300 000 до 500 000 циклов.

Пользователи мобильных телефонов обычно заряжают свои батареи, когда DOD составляет всего около 25–30 процентов.При таком низком уровне разряда можно ожидать, что литий-ионный аккумулятор будет в 5-6 раз превышать указанный срок службы батареи, что предполагает полную разрядку за каждый цикл. Таким образом, срок службы цикла значительно улучшается, если DOD уменьшается.

Никель-кадмиевые батареи

являются в некотором смысле исключением. Подвергая батарею только частичному разряду, возникает так называемый эффект памяти (см. Ниже), который можно обратить вспять только глубокой разрядкой.

Некоторые приложения, такие как электромобили или морское использование, могут потребовать извлечения максимальной емкости из батареи, что означает разрядку батареи до очень высокой степени разряда.Для таких применений необходимо использовать специальные конструкции батарей “глубокого разряда”, поскольку глубокая разрядка может повредить батареи общего назначения. В частности, типичные автомобильные SLI-аккумуляторы предназначены только для работы с глубиной разряда до 50%, тогда как тяговые батареи могут работать с глубиной разряда от 80% до 100%.

См. Также, как можно увеличить срок службы батареи за счет циклического резервирования ячеек.

Уровень зарядки

Срок службы литиевых батарей можно увеличить за счет уменьшения напряжения отключения зарядки.По сути, это дает батарее частичный заряд вместо полной, аналогично работе с более низким DOD, как в примере выше. На графике ниже показаны типичные возможные улучшения жизненного цикла.

Срок службы и напряжение отключения заряда

Источник: Choi & Lim – Journal of Power Sources, сентябрь 2002 г.

Снижение напряжения отключения при зарядке позволяет избежать достижения аккумулятором точки максимального напряжения.См. Также Зарядка литиевых батарей и Неисправности литиевых батарей.

Скорость зарядки

Срок службы батареи также зависит от скорости зарядки. Снижение емкости при высокой скорости разряда происходит из-за того, что преобразование активных химикатов не успевает за потребляемым током. Результатом являются неполные или нежелательные химические реакции и связанное с ними снижение емкости, как указано в параграфе «Химические изменения» выше.Это может сопровождаться изменениями морфологии электродных кристаллов, такими как растрескивание или рост кристаллов, которые отрицательно влияют на внутренний импеданс ячейки. Аналогичные проблемы возникают при зарядке. Существует ограничение на то, как быстро ионы лития могут проникать в интеркаляционные слои анода. Попытка пропустить через аккумулятор слишком большой ток во время процесса зарядки приводит к отложению избыточных ионов на аноде в виде металлического лития. Это явление, известное как литиевое покрытие, приводит к необратимой потере емкости.В то же время поддержание более высоких напряжений, необходимых для быстрой зарядки, может привести к пробою электролита, что также приведет к потере емкости. Исходя из вышеизложенного, мы можем ожидать, что с каждым циклом зарядки / разрядки накопленная необратимая потеря емкости будет увеличиваться. Хотя это может быть незаметно, в конечном итоге уменьшение емкости приведет к тому, что элемент не сможет хранить энергию, требуемую спецификацией. Другими словами, срок службы батареи подошел к концу, и, поскольку потеря емкости вызвана работой с большим током, можно ожидать, что срок службы батареи будет тем короче, чем больше ток, который она несет.График ниже демонстрирует, что это так на практике.

Источник: Choi & Lim – Journal of Power Sources, сентябрь 2002 г.

См. Ниже, как этому ухудшению можно противодействовать, предоставляя периоды отдыха во время работы от батареи.

Влияние напряжения

Перезаряжаемые батареи имеют характерный диапазон рабочего напряжения, связанный с конкретным химическим составом используемого элемента.Практические пределы напряжения являются следствием начала нежелательных химических реакций, которые происходят за пределами безопасного рабочего диапазона. После того, как все активные химические вещества были преобразованы в композицию, связанную с полностью заряженной ячейкой, введение большего количества электрической энергии в ячейку приведет к ее нагреву и инициированию дальнейших нежелательных реакций между химическими компонентами, разлагающих их на формы, которые не могут быть рекомбинированный. Таким образом, попытка зарядить элемент выше его верхнего предела напряжения может вызвать необратимые химические реакции, которые могут повредить элемент. Повышение температуры и давления, которое сопровождает эти события, если неконтролируемое, может привести к разрыву или взрыву элемента и выбросу опасных химикатов или пожару. Точно так же разряд элемента ниже рекомендованного нижнего предела напряжения также может привести к необратимым, хотя и менее опасным повреждениям из-за неблагоприятных химических реакций между активными химическими веществами. Цепи защиты предназначены для поддержания ячейки в рекомендованном рабочем диапазоне с ограничениями, установленными с учетом запаса прочности.Более подробно это обсуждается в разделе Защита. При оценке срока службы обычно предполагается, что элементы будут использоваться только в пределах их установленных рабочих пределов, однако на практике это не всегда так, и отклонение от пределов на короткие периоды времени или с незначительным запасом обычно не приводит к немедленному разрушению клетки, скорее всего, будет затронута ее жизненный цикл.

Например, постоянная чрезмерная разрядка NiMH элементов на 0. 2 В может привести к потере 40% срока службы; и переразряд на 0,3 В литий-ионной химии может привести к 66-процентной потере емкости. Испытания показали, что перезарядка литиевых элементов на 0,1 В или 0,25 В не приведет к проблемам с безопасностью, но может сократить срок службы до 80 процентов.

Контроль заряда и разряда важен для продления срока службы аккумулятора.

Старение клеток

Подготовка заряда или формирование

Формирование клетки – это процесс преобразования активных материалов новой клетки в их пригодную для использования форму.Первоначальная кристаллическая структура электролита или электродов определяется производственным процессом, с помощью которого были изготовлены эти компоненты, и процессом нанесения покрытия на электроды. Это может быть не оптимальная структура для минимизации внутреннего импеданса ячейки и может не обеспечивать оптимальный контакт между электролитом и электродами. Прохождение тока через ячейку, а также нагрев и охлаждение ячейки вызовут небольшие изменения микроструктуры или морфологии активных химических веществ.

Formation – это, по сути, первая зарядка, выполняемая на заводе производителя элементов при очень тщательно контролируемых условиях тока, температуры и продолжительности для создания желаемой микроструктуры компонентов и контакта между ними.

Для некоторых химических составов может потребоваться десять или более циклов заряда-разряда, прежде чем батарея сможет достичь своей полной мощности или емкости.

Старость

Однако после использования профиль использования ячейки определяется пользователем.В течение срока службы элемента, даже если нет нежелательных изменений химического состава материалов, морфология активных компонентов будет продолжать изменяться, обычно в худшую сторону. В результате характеристики элемента постепенно ухудшаются, пока в конечном итоге ячейка не станет непригодной для эксплуатации.

По мере старения ячейки изменяется как химический состав, так и кристаллическая структура материалов, появляются более крупные кристаллы и на электродах могут образовываться металлические дендриты.

Эти изменения имеют несколько последствий: –

• По мере того, как более мелкие кристаллы, образовавшиеся во время формирования ячейки, растут до большего размера, внутренний импеданс ячейки увеличивается, а емкость ячейки уменьшается.
• Рост кристаллов и дендритов вызывает набухание электродов, которое, в свою очередь, оказывает давление на электролит и сепаратор. По мере того, как электроды прижимаются друг к другу, саморазряд ячейки имеет тенденцию к увеличению.
• В крайних случаях сепаратор может быть поврежден ростом дендритов или кристаллов, что приведет к еще большему саморазряду или короткому замыканию.

Когда батарея демонстрирует высокий уровень саморазряда, нет никаких средств, чтобы обратить ее действие.

Циклические механические напряжения

В ионно-литиевых элементах введение или выброс ионов лития в интеркаляционные пространства и из них во время зарядки и разрядки приводит к разбуханию или сжатию электродных материалов.Повторяющиеся циклы могут ослабить структуру электрода, уменьшая его прилипание к токосъемнику, вызывая разбухание элемента. Это может привести к уменьшению емкости заряда и, в конечном итоге, к выходу из строя элемента.

Степень расширения или сжатия электродной конструкции зависит от используемых материалов. Изменение объема каждого из электродов в литий-кобальтовых элементах имеет тенденцию усиливать друг друга, вызывая набухание элемента, тогда как изменение объема электродов в литий-фосфатных элементах имеет тенденцию компенсировать друг друга, сводя набухание к минимуму.

Использование кремния в качестве материала анода вместо углерода дает возможность очень высокой емкости заряда, в десять раз лучше, чем углерод. К сожалению, во время зарядки кремниевые аноды изменяются в объеме на 400%, что приводит к физическому разрушению анодного покрытия. Это все еще нерешенная проблема, и в настоящее время исследуются различные возможные решения.

Эффект памяти

Так называемый «эффект памяти» – еще одно проявление изменения морфологии компонентов клетки с возрастом.Похоже, что некоторые элементы на основе никеля, в частности никель-кадмиевые аккумуляторы, могли «запоминать», сколько разряда требовалось при предыдущих разрядах, и принимали только это количество заряда при последующих зарядах. Никель-металлогидридные элементы страдают той же проблемой, но в меньшей степени. Фактически происходит то, что повторяющиеся мелкие заряды вызывают изменение кристаллической структуры электродов, как отмечалось выше, и это приводит к увеличению внутреннего импеданса ячейки и снижению ее емкости. Длительные медленные заряды, такие как капельная зарядка, как правило, способствуют этому нежелательному росту кристаллов, как и высокие температуры, поэтому их следует избегать.

Ремонт или реставрация

Часто можно восстановить никель-кадмиевый элемент до или почти до его полной емкости, по существу, повторяя процесс формирования, чтобы разбить более крупные кристаллы до их прежних меньших размеров.Одного или нескольких глубоких разрядов ниже 1,0 В / элемент с очень низким контролируемым током достаточно, чтобы вызвать изменение молекулярной структуры элемента и восстановить его исходный химический состав. Таким образом, обработка клетки электрическим током может привести к потере памяти. Это лекарство не обязательно работает со старыми ячейками, установленными по-своему, чья кристаллическая структура укоренилась и может фактически ухудшить их, увеличивая скорость саморазряда. Эти старые ячейки, срок службы которых приближается к концу, должны быть списаны.

Пассивация

Пассивация – это еще одно вторичное химическое действие, которое особенно проявляется в ионно-литиевых элементах. Резистивный слой, известный как Интерфейс твердого электролита или слой SEI , образуется на электродах в некоторых ячейках из-за циклического режима или после длительного хранения. Это может быть химическое осаждение или просто изменение кристаллической структуры поверхности электрода.Этот слой препятствует химическим реакциям клетки и ее способности передавать ток, а также увеличивает внутреннее сопротивление клетки.

Этот барьер обычно необходимо удалить, чтобы обеспечить правильную работу элемента, однако в некоторых случаях пассивация может принести пользу за счет уменьшения саморазряда элемента. Как и в случае с восстановлением, описанным выше, применение контролируемых циклов зарядки / разрядки часто помогает восстановить аккумулятор для использования. Возможно, удастся обратить изменения кристаллической структуры электродов, но химические изменения обычно необратимы.

В литий-ионных элементах создание слоя SEI во время процесса формирования важно для замедления химической реакции между электролитом и углеродным анодом, но его продолжающееся наращивание после образования в течение срока службы элемента является причиной старения элемента. Эти неизбежные паразитические химические реакции постепенно потребляют активные химические вещества клетки, и именно эта потеря активных химикатов вызывает постепенное снижение емкости клетки, другими словами, ее старение.

См. Дополнительную информацию о химических изменениях и паразитарных реакциях (выше), вызывающих пассивацию и слой SEI.

Клетки имеют тенденцию к постепенному старению из-за постепенного наращивания слоя SEI. График календарной жизни (см. Выше) показывает, что зависящее от времени нарастание слоя SEI имеет тенденцию замедляться по мере того, как слой становится толще, а эмпирические данные свидетельствуют о том, что увеличение внутреннего импеданса ячейки из-за нарастания SEI не является линейным, а пропорционально квадратному корню из времени.В конце концов наступает момент, когда пассивирующий слой становится настолько толстым, что блокирует поры в пористой поверхности анода, предотвращая перенос ионов и их внедрение в кристаллическую решетку углерода анода, что приводит к литиевому покрытию, что еще больше ухудшает ситуацию и быстро ухудшает емкость заряда элемента, приводящая к полному выходу элемента из строя.

Здесь действуют два фактора: скорость роста слоя SEI, который определяет, как быстро стареет ячейка, и пористость поверхности анода, которая определяет, сколько старения может выдержать ячейка до того, как ее поры полностью заблокируются, другими словами его критический «Конец Жизни» или «Смерть».Электролиты и добавки выбираются для минимизации паразитных химических реакций и блокировки пористой поверхности анода для уменьшения старения, а структура частиц поверхности анода рассчитана на оптимальную пористость, чтобы отсрочить наступление критического разрушения.

Высокое напряжение в элементах и ​​высокая температура окружающей среды ускоряют паразитические химические реакции и, следовательно, скорость старения элементов, и оба они оказывают большое влияние на срок службы элементов. См. Выше уровень заряда, эффекты напряжения и температурные эффекты.

.

Окончание срока службы батареи или элемента обычно определяется как точка, в которой ее емкость снижается до 80% от ее стоимости в новом состоянии, то есть когда она теряет 20% своей зарядной емкости. Критический конец жизни – это момент, когда клетка полностью выходит из строя. Обычно это происходит намного позже указанного «паспортного» конца жизни, поэтому клетки обычно исчезают, а не умирают внезапно.

• Пассивация, кулоновская эффективность и срок службы батареи

Альтернативный (нетрадиционный) подход к оценке срока службы батареи

В некоторых случаях для определения срока службы батареи можно использовать сокращенный метод. Это включает в себя измерение потери мощности за меньшее количество более длительных циклов, более репрезентативных для фактических циклов использования ячейки и экстраполяцию результата для получения потери мощности за несколько циклов. Цикл использования включает как потерю цикла, так и потерю календаря. Достоверность экстраполяции зависит от линейного процесса старения в течение срока службы батареи.

Недавние исследования в Канадском университете Далхаузи показали, как эффект или степень процесса пассивации и его влияние на зарядную емкость элемента можно оценить путем измерения кулоновской эффективности элемента и использовать его для характеристики срока службы элемента.

Этот метод не является общепринятым или рекомендуемым способом определения срока службы батареи и может не подходить для многих приложений. Он включен здесь в качестве полезной альтернативы традиционным циклическим испытаниям для рассмотрения.

Метод

Определить Кулоновский КПД CE = Qd / Qc

Где

Qc = емкость заряда в начале цикла зарядки

Qd = емкость заряда в конце цикла разряда с полностью заряженным элементом

Примечание: Это не стандартное определение кулоновской эффективности, которое основывается на I ² R ячейки и других потерях за цикл. Вместо этого он просто основан на потере емкости элемента за цикл из-за процесса старения. Однако он включает в себя как циклические потери, так и календарные потери ячейки.

Разница между зарядом, поступающим в элемент, и выходящим зарядом, ( Qc – Qd ), соответствует абсолютному снижению количества активных химических веществ в элементе и сопутствующему увеличению количества нежелательных химических продуктов в результате паразитических необратимых отмеченные выше химические изменения, которые, в свою очередь, вызывают соответствующее увеличение толщины слоя SEI.

Ожидается, что элемент с заданным сроком службы 1000 циклов будет терять 20% своей емкости к концу своего срока службы или 0,02% своей емкости за каждый цикл, так что ее кулоновский КПД составит 99,98% или коэффициент 0,9998

Кулоновская неэффективность CI = Коэффициент потери мощности за цикл = (1 – CE)

Эта потеря емкости заряда представляет собой потерю активных химических веществ за цикл или образование нежелательных химических продуктов и последующее увеличение толщины слоя SEI за цикл и может рассматриваться как фактор деградации ячейки

Коэффициент потери емкости за цикл для указанной выше ячейки на 1000 циклов будет (1 – 0. 9998) = 0,0002

Испытания рабочего цикла при разных скоростях C могут вызвать большие очевидные различия в потерях емкости за цикл. Это связано с тем, что относительный вклад календарного срока службы в общий цикл жизни зависит от продолжительности цикла заряда-разряда. См. Выше неподходящие условия тестирования.

Эксперименты в Далхаузи в течение периодов испытаний продолжительностью около 1000 часов показали, что для данного химического состава и конструкции элемента фактическая потеря емкости за цикл пропорциональна продолжительности t соответствующего цикла заряда-разряда, так что потеря емкости ставка для любой заданной ставки C определяется как:

Скорость потери мощности = (1- CE) / т

Таким образом, разделив потерю цикла на время цикла, мы получим нормализованный суммарный коэффициент потерь для срока службы цикла и календарной жизни.

Дальнейшие испытания на срок службы контрольных групп ячеек в Далхаузи продемонстрировали, что в условиях контролируемой температуры существует хорошее соответствие между прогнозами срока службы с использованием этого метода по сравнению с фактическими результатами обычных циклических испытаний, при которых элементы циклируются до конца заданного срока службы. жизнь (когда емкость ячеек упала на 20%).

Льготы

• Метод учитывает как циклические, так и календарные потери жизненного цикла.
• Он показывает, что посредством прецизионных измерений кулоновской эффективности, производительность элемента может быть охарактеризована лишь несколькими длительными циклами, причем время цикла соответствует периоду предполагаемого использования. Эти тесты могут длиться в общей сложности около 1000 часов, что позволяет избежать длительного и дорогостоящего долгосрочного циклического тестирования, приводящего к гибели нескольких образцов.

Например, тестирование со скоростью заряда-разряда C / 25 в течение периода 1000 часов или 3 недель даст 20 точек данных, представляющих использование в течение 20 дней, из которых можно экстраполировать срок службы элемента.

Разделите указанную потерю емкости «Конец срока службы» (скажем, 20%) на измеренный процент потери емкости за цикл, чтобы получить срок службы за цикл.

Умножьте срок службы цикла на время цикла тестирования t , чтобы получить календарный срок службы.

• Испытательные ячейки используются всего несколько циклов и имеют длительный срок службы.
• Этот метод особенно важен для производителей больших батарей с длительным сроком службы для автомобильных и распределенных сетевых аккумуляторов энергии, поскольку он позволяет им оценить жизнеспособность новых конструкций, не дожидаясь восьми или более лет результатов, прежде чем они смогут выпустить продукт.
• Использование этого метода определения скорости потери емкости также представляет собой полезный инструмент для проектировщиков ячеек, которые могут очень быстро сравнить эффект различных альтернативных добавок, используемых для улучшения характеристик ячеек, с ограниченным количеством тестов без циклического разрушения каждой ячейки.
• Точно так же эта процедура позволяет производителям упаковок оценивать производительность конкурирующих ячеек от разных производителей.

Предостережения, предположения и риски (Некоторые потенциально смертельные)

Метод игнорирует или предполагает пренебрежимо малость нескольких механизмов старения, которые, как известно, влияют на срок службы элемента, делая несколько неявных предположений, которые не обязательно оправданы.Однако в испытаниях, проводимых в строго контролируемых условиях, экспериментальные данные подтвердили выводы . Здесь изложены некоторые соображения.

• Основное предположение состоит в том, что потеря емкости полностью происходит из-за паразитных химических реакций, приводящих к наращиванию слоя SEI и, как следствие, уменьшению количества активных химикатов. Структурная деградация и изменения морфологии частиц, составляющих электроды, такие как растрескивание и рост дендритов, не учитываются, как и случайные отказы ячеек, которые не связаны с процессом старения.См. Также обзор «Механизмы старения», в котором указаны другие эффекты старения.
• Экстраполяция из нескольких циклов всегда приводит к накоплению ошибок. Большая часть того, что нам нужно знать, может быть получена из измерений кулоновской эффективности, но для долгосрочных прогнозов важно провести полную проверку реальности на меньшей выборке, чтобы подтвердить обоснованность использования краткосрочных результатов в качестве индикатора долгосрочного производительность и применимость метода.
• Потери за жизненный цикл могут увеличиваться довольно линейно со временем, но не календарные потери за жизненный цикл. Как отмечалось выше, показатель календарной потери жизни не является линейным, как следует из этой процедуры испытания. Однако величина этой календарной потери обычно невелика по сравнению с потерей цикла, и, поскольку ее влияние со временем становится все меньше, кажется, что она оказывает лишь незначительное влияние на результаты. Поскольку это не определяется количественно, это могло бы существенно повлиять на результаты и в любом случае поставить под сомнение достоверность любых выводов, экстраполированных на основе измерений.
• Потери, зависящие от температуры, намного более значительны, экспоненциально увеличиваясь с температурой в соответствии с законом Аррениуса, и могут быть довольно большими, что сильно влияет на календарный срок службы. Однако такие потери не зависят от времени и должны постоянно влиять на старение или потерю емкости в течение срока службы батареи, пока температура остается постоянной. позволяя сделать разумные экстраполяции. В зависимости от области применения может потребоваться проведение испытаний при различных температурах окружающей среды, как в случае с обычными методами испытаний.Это не умаляет достоинства метода или его полезности.
• В какой-то момент постепенное накопление SEI начинает полностью блокировать перенос ионов, и клетка внезапно выходит из строя. Мы знаем, что при современном управлении производственным процессом, пористость поверхности анода и скорость нарастания SEI достаточно согласованы от ячейки к ячейке, а также, исходя из приведенных выше рассуждений, скорость нарастания SEI за цикл постоянна и равна ( 1 – CE) за цикл.Из этого можно сделать вывод, что для данной кулоновской эффективности количество циклов, завершенных до точки полного отказа, постоянно.

Все это очень приятно знать, но мы не знаем, что это за константа. Также не говорится о самом важном моменте, который заключается в том, «сколько циклов произойдет до наступления критического отказа». Это зависит от фактической толщины слоя SEI, пористости поверхности электрода и влияния добавок электролита, ни одна из которых не может быть легко определена количественно.Единственный способ определения фактической точки отказа – это обычный цикл репрезентативной выборки клеток до их гибели.

По крайней мере, мы можем сделать очевидный вывод, что повышение кулоновской эффективности увеличит срок службы ячеек. Тем не менее, мы можем быть уверены, что элементы обычно проектируются так, что эта точка отказа значительно превышает обычный указанный срок службы, когда суммарная потеря емкости составляет 20% от номинальной (новой) емкости.

• В попытке представить профиль тестирования фактический профиль использования ячейки, коэффициенты C, используемые в тестах, уменьшаются, так что время цикла тестирования увеличивается, чтобы соответствовать типичному времени использования между зарядками. Это по-прежнему не является полностью репрезентативным для фактического профиля использования, потому что в течение каждого фактического периода использования коэффициент C может значительно варьироваться от коротких периодов при очень высоких уровнях C до длительных периодов нулевого использования, как это было бы в случае с типичными автомобильными приложениями.Мы знаем, что очень высокая скорость заряда-разряда отрицательно сказывается на сроке службы аккумулятора, поэтому для получения точных результатов профиль теста должен основываться на фактическом профиле нагрузки аккумулятора, таком как стандартный смоделированный цикл движения, а не на постоянном C тарифы. См. Скорость зарядки выше.
• Очень маленькие изменения уровней заряда за цикл трудно измерить Точное и подходящее испытательное оборудование недоступно в готовом виде.Для получения надежных результатов в тестах до сих пор использовались специально изготовленные высокоточные источники тока и измерительные приборы.

Определение кулоновской эффективности не так просто, как кажется. Потеря емкости (Qc-Qd) в течение одного цикла очень мала и составляет 0,002% от емкости батареи с указанным сроком службы 1000 циклов и 0,0002% для батареи на 10 000 циклов.

Для автомобильной батареи на 60 кВтч, 300 В с заданным сроком службы 1000 циклов потеря емкости в конце указанного срока службы составит 12 кВтч (20%) или 12 Вт-часов. При использовании обычных единиц измерения ампер в час это соответствует 0,04 амчара или 144 ампер-секунды

.

Для отдельных литий-ионных элементов 18650 со сроком службы 1000 циклов и емкостью заряда 3000 мАч величина потерь заряда за цикл будет составлять 0,6 мАч

Выводы

Использование прецизионных измерений кулоновской эффективности обеспечивает отличный метод характеристики многих аспектов работы элементов и батарей, обеспечивая очень быстрые ответы с относительно небольшими выборками.Он позволяет ранжировать технологии по их кулоновской эффективности и особенно полезен в качестве лабораторного инструмента для сравнения влияния альтернативных материалов на производительность элементов. Разработчики аккумуляторных блоков также сочтут его полезным как быстрое средство для сравнения характеристик конкурирующих аккумуляторов от разных производителей.

Однако при использовании этого метода для определения срока службы ячеек возникает значительный риск, поскольку точность экстраполированных результатов сомнительна.Этот метод полезен для сравнения темпов старения различных технологий, но в настоящее время он не может дать абсолютных ответов на ожидаемый жизненный цикл или календарный срок службы, не прибегая к тестированию хотя бы некоторых ячеек в течение их полного срока службы, пока они действительно не выйдут из строя.

Соблюдайте осторожность

Потеря электролита

Любое уменьшение количества активных химикатов в ячейке, конечно, напрямую снижает электрическую емкость ячейки.В то же время потенциальный жизненный цикл элемента будет автоматически сокращен, поскольку срок полезного использования элемента определен как окончание, когда его емкость уменьшается на 20%.

Электролит может быть потерян из-за утечки из-за износа с течением времени уплотнений, закрывающих ячейки. Даже при хороших уплотнениях растворители в электролите могут в конечном итоге проникнуть через уплотнение в течение длительного периода, вызывая высыхание электролита, особенно если элементы хранятся в сухой атмосфере или если содержимое элемента находится под давлением из-за высоких температур.

Однако потеря электролита происходит не только из-за физической утечки электролита из элемента, электролит может быть эффективно потерян в электрохимической системе, потому что он был преобразован или разложен в другое неактивное соединение, которое может или не может оставаться внутри кожух клеток. Примером этого является коррозия, как и другие соединения, которые могли быть вызваны перегревом или неправильным использованием. Газообразование и испарение – это два других механизма, посредством которых электролит может теряться, вызывая необратимую потерю емкости элемента.

Рекомбинантные системы

Чтобы предотвратить потерю электролита из вторичных элементов, в которых цикл электрохимической зарядки производит газообразные продукты, элементы должны быть герметично закрыты. Системы с замкнутым циклом, в которых газы заставляют рекомбинировать для извлечения активных химикатов, называются рекомбинантными системами. NiCad и батареи SLA используют рекомбинантные конструкции. Этот процесс выделения газа имеет тенденцию ограничивать перезарядку, а также служит для уравновешивания напряжений или уровней заряда элементов в последовательной цепочке.

Литий-ионные элементы не выделяют газы во время обычных процессов зарядки или разрядки, поэтому рекомбинация не применима к химическому составу элементов. Если в литиевых элементах действительно происходит выделение газа, это обычно является результатом необратимого разрушения электролита и, возможно, первой стадии теплового разгона элемента.

Вентиляция

Хотя большинство современных элементов имеют герметичную конструкцию для предотвращения потери электролита, они обычно имеют вентиляционное отверстие для сброса давления, если существует опасность разрыва элемента из-за чрезмерного давления.Всякий раз, когда срабатывает вентиль, он выпускает или вытесняет некоторые активные химические вещества в атмосферу и, следовательно, снижает емкость ячейки.

Чтобы определить, произошла ли потеря электролита из-за вентиляции, подозрительный элемент можно взвесить и сравнить его вес с весом заведомо исправного элемента той же марки и емкости.

Утечка

Раньше утечка была серьезной проблемой для цинково-угольных элементов.Это было связано с тем, что цинковый кожух участвовал в реакции электрохимического разряда. В течение срока службы элемента стенки элемента становятся все тоньше по мере расходования цинка, пока они не станут перфорированными, позволяя электролиту уйти. Вытекающие химические вещества также вызывают коррозию клемм аккумулятора, усугубляя проблему. Новые конструкции ячеек и современные материалы значительно уменьшили эту проблему. Тем не менее, некоторые элементы все еще могут протекать из-за плохой герметизации или проблем с коррозией.

См. Также Анализ Вейбулла и методы оценки срока службы батарей.

Производственные допуски

На срок службы батареи также влияют различия в материалах и компонентах, используемых при производстве элементов, и хотя производители стараются свести эти отклонения к минимуму, всегда будет разброс свойств используемых материалов в допустимых пределах.В конечном итоге последствия такого разброса толерантности отразятся на сроке службы ячеек. Эти факторы также объясняют большую разницу в производительности аналогичных ячеек от разных производителей.

Химический состав

Качество активных химикатов может варьироваться, особенно если используется более одного источника. Это может повлиять на концентрацию химикатов или уровень присутствующих примесей, и эти факторы, в свою очередь, влияют на напряжение элемента, внутренний импеданс и скорость саморазряда.

Точность размеров

Изменения в размерах компонентов или в размещении деталей, составляющих ячейку, также могут повлиять на характеристики ячейки и ожидаемый срок службы. Заусенцы и небольшие перекосы могут вызвать короткое замыкание, возможно, не сразу, а после многократного изменения температуры. Заполнение электролитом может быть неполным, что приведет к соответствующему снижению емкости элемента.Гранулярность химикатов и качество поверхности электродов влияют на пропускную способность ячеек по току.

Взаимодействие между клетками

Это может происходить в многоэлементных батареях и является следствием разброса рабочих характеристик отдельных ячеек в упаковке. Это может быть связано с производственными допусками, как указано выше, или неравномерными температурными условиями в упаковке, или неоднородными моделями старения, из-за которых одни элементы принимают меньше заряда, чем другие.В результате в последовательной цепочке слабый элемент с уменьшенной емкостью достигнет своего полного заряда раньше остальных элементов в цепочке и перезарядится, когда зарядное устройство попытается зарядить всю цепочку элементов до своего номинального напряжения. Как уже отмечалось, перезаряд вызывает перегрев элемента, что приводит к расширению активных химических веществ, а также к возможному выделению газа из электролита. Эти факторы, в свою очередь, вызывают повышение внутреннего давления, что приводит к перенапряжению и возможному повреждению ячейки.Это будет повторяться с каждым циклом заряда-разряда, заставляя элемент становиться более напряженным и, следовательно, даже более слабым, пока в конечном итоге он не выйдет из строя. С другой стороны, если по какой-то причине слабый элемент не может достичь полного заряда, возможно, из-за очень высокого саморазряда или, в крайнем случае, из-за короткого замыкания элемента, тогда хорошие элементы, а не более слабые, могут возможно стать завышенным.

Повреждение более слабых элементов также может продолжаться во время цикла разряда.При последовательном разряде емкость самого слабого элемента в цепи будет исчерпана раньше других. Если разряд продолжается (чтобы разрядить оставшиеся исправные элементы), напряжение на элементе малой емкости достигнет нуля, а затем изменится на обратное из-за падения напряжения IR на элементе. Последующее повышение температуры и давления в ячейке из-за “переворота ячейки” может вызвать катастрофический отказ.

Начальный разброс допуска, вызвавший эти взаимодействия, может быть очень низким, но он может увеличиваться со временем, поскольку повреждение увеличивается с каждым циклом заряда-разряда, пока слабые элементы в конечном итоге не выйдут из строя.

Увеличение срока службы батареи

Самый простой и очевидный способ продлить срок службы батареи – убедиться, что она всегда хорошо работает в установленных пределах. Однако есть некоторые дальнейшие действия, которые можно предпринять для увеличения срока службы батареи. Они кратко изложены ниже, а подробные объяснения и примеры доступны по ссылкам.

Опции производителя

• Добавки

Производители элементов питания часто используют химические средства для увеличения срока службы батарей, добавляя к активным химическим веществам патентованные добавки. Добавки могут быть направлены на улучшение конкретных свойств клеток для увеличения срока службы без изменения основных активных химикатов. Примеры целей улучшения включают:

• Сниженное окисление электролита, что приводит к меньшему количеству паразитарных реакций и уменьшению утолщения слоя SEI.
• Улучшение характеристик при высоких и низких температурах
• Снижение импеданса
• Смачивающее средство для улучшения заполнения ячейки электролитом во время производства
• Снижение газообразования
• Подавление дендритов

Пользователь или разработчик упаковки не может влиять на изменения химического состава клеток, на доведение которых часто уходят годы

Варианты конструкторов и пользователей упаковки

Однако у конструктора упаковки есть много возможностей для повышения производительности.К ним относятся следующие:

• Зарядка

Как отмечалось в разделе «Зарядка», большинство отказов батареи происходит из-за неправильной зарядки. Использование интеллектуальных зарядных устройств и систем безопасности, предотвращающих подключение к аккумулятору неутвержденных зарядных устройств, может не продлить срок службы аккумулятора, но, по крайней мере, они могут предотвратить его сокращение.

• Периоды отдыха во время зарядки и разрядки

Обеспечение регулярных периодов отдыха во время работы батареи позволяет химическим превращениям в батарее идти в ногу с потреблением тока.

Посмотрите, как это реализовано в программно конфигурируемой батарее без прерывания подачи питания.

• Управление батареями

Управление батареями – это, по сути, метод поддержания ячеек в желаемых рабочих пределах как во время зарядки, так и во время разрядки, либо путем управления нагрузкой на батарею, либо путем изоляции батареи от нагрузки, если нагрузку невозможно контролировать.См. Управление батареями

• Управление температурой

Крайние температуры убивают батарею. Чтобы поддерживать аккумулятор в рекомендуемых рабочих пределах, может потребоваться как нагрев, так и охлаждение. Эффективное управление температурой – ключ к длительному сроку службы батареи. См. Раздел «Контроль температуры

».
• Балансировка ячеек

Как отмечалось выше, в многоэлементных батареях проблемы могут возникать из-за взаимодействия между элементами, вызванного небольшими различиями в характеристиках отдельных ячеек, составляющих батарею.Балансировка ячеек предназначена для выравнивания заряда каждой ячейки в батарее и предотвращения перегрузки отдельных ячеек, что продлевает срок службы батареи. См. Раздел “Балансировка ячеек”

.
• Резервирование

Срок службы батареи, хотя и не срок службы элементов, можно увеличить, добавив в батарею дополнительные резервные элементы для автоматической замены любых вышедших из строя элементов. Компромисс – это более крупные, более сложные и немного более дорогие системы.См. Повышение надежности за счет резервирования

• Распределение нагрузки

Для импульсных приложений пиковая нагрузка на батарею может быть уменьшена путем размещения конденсатора большой емкости параллельно с батареей. Энергия для больших мгновенных нагрузок поступает от конденсатора, эффективно снижая рабочий цикл и нагрузку на аккумулятор. Конденсатор заряжается в периоды покоя.Для этой техники заявлено о шестидесятипроцентном увеличении срока службы.

Еще одно преимущество такой схемы состоит в том, что, поскольку батарея обеспечивает меньший мгновенный пиковый ток нагрузки, падение напряжения на батарее будет ниже. Для импульсов большой мощности это падение напряжения может быть очень значительным.

См. Конденсаторы и Суперконденсаторы.

• Реконструкция / восстановление

Как отмечалось выше, некоторые элементы, потерявшие емкость, можно восстановить, повторив процесс формирования, тем самым продлив их срок службы.См. Раздел Реформация / восстановление

.

• Управление спросом

  «Эффективный» срок службы батареи в конкретном приложении также может быть увеличен за счет управления нагрузкой, которую приложение возлагает на батарею. На самом деле это не улучшает характеристики батареи, а снижает нагрузку, которую она должна обеспечивать. См. Управление спросом

• Не оставляйте аккумулятор полностью заряженным без необходимости

Чем выше напряжение элемента, тем выше химическая нагрузка на батарею, и чем дольше батарея остается под высоким напряжением, тем больше износ.

• Не допускайте падения напряжения элемента ниже 2 В

При напряжении ячейки ниже 2 В медный анодный токоприемник растворяется в электролите. См. Отказ литиевой батареи

Преждевременная смерть (убийство)

Наиболее вероятная причина преждевременного выхода батареи из строя – это неправильное обращение с батареей в условиях, для которых она никогда не была предназначена.

Помимо очевидного физического насилия, следующие примеры также следует рассматривать как насилие, будь то умышленное, непреднамеренное или в результате плохого технического обслуживания.

• Потребление большего тока, чем предназначено для батареи, или короткого замыкания батареи.
• Использование батарей меньшего размера для приложения.
• Конструкции цепей или систем, которые подвергают батарею повторяющимся эффектам “coup de fouet” (хлыстовой травмы).Этот эффект представляет собой временное сильное падение напряжения, которое возникает, когда на батарею внезапно оказывается большая нагрузка, и вызвано неспособностью скорости химического воздействия в батарее удовлетворить мгновенную потребность в токе.
• Эксплуатация или хранение аккумулятора при слишком высоких или слишком низких температурах окружающей среды.
• Использование зарядных устройств, предназначенных для зарядки аккумуляторов с различным химическим составом элементов.
• Перезаряд – либо слишком высокое напряжение, либо слишком долгий период.
• Чрезмерная разрядка – полная разрядка аккумулятора.
• В водных батареях – позволяет уровню электролита упасть ниже рекомендуемого минимума.
• В водных аккумуляторах – доливка водопроводной воды вместо дистиллированной (или несоответствующего электролита).
• Воздействие на аккумулятор чрезмерной вибрации или ударов.

Разработчики аккумуляторов стараются по возможности исключить возможность злоупотреблений, но в конечном итоге срок службы аккумулятора находится в руках пользователя.

См. Также:

Почему выходят из строя батареи

Отказ литиевой батареи

Надежность батареи и способы ее повышения

Безопасность батареи

Методы защиты аккумулятора

Параметры батареи

Емкость накопителя:

Определяет количество часов, в течение которых батарея может быть разряжена постоянным током до определенного напряжения отключения.Он представлен кулоновской единицей СИ (Амперы в секунду), но поскольку эта единица обычно очень мала, вместо нее используется единица ампер-часов (Ач) (1 Ач соответствует 3600 C).

Значение этой емкости зависит от температуры окружающей среды, возраста аккумулятора и скорости разряда. Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость, хотя это влияет на каждую технологию батареи по-разному. В дополнение к единицам ампер-часов емкость аккумулятора также может быть определена в ватт-часах (Втч = В x Ач), где 1 Втч соответствует 3600 Дж.

Плотность энергии:

Плотность энергии – это количество энергии, которое может быть сохранено на кубический метр объема батареи, выраженное в ватт-часах на кубический метр (Втч / м3). Это очень важный параметр для выбора конкретной аккумуляторной технологии для транспортных приложений, где критически важно наличие места.

Удельная мощность:

Этот параметр определяется как мощность на килограмм батареи в Вт / кг.Некоторые аккумуляторные технологии предлагают высокую плотность энергии, но низкую удельную мощность, а это означает, что, хотя они могут хранить большое количество энергии, они могут мгновенно подавать только небольшое количество энергии. С точки зрения транспорта это означало бы, что транспортное средство может двигаться на большие расстояния с небольшой скоростью. Напротив, батареи с высокой удельной мощностью обычно имеют низкую плотность энергии, потому что высокие токи разряда обычно быстро уменьшают доступную энергию (например, высокое ускорение)

Напряжение элемента:

Напряжение элемента определяется равновесием термодинамические реакции, которые происходят внутри элемента, однако это значение часто трудно измерить, и поэтому вместо него используется напряжение холостого хода (OCV), измеренное между анодным и катодным выводами.Для некоторых технологий аккумуляторов (например, свинцово-кислотных) OCV может использоваться как базовая оценка состояния заряда (SoC). Другой часто используемый показатель – это напряжение замкнутой цепи (CCV), которое зависит от тока нагрузки, состояния заряда и истории использования элемента. Наконец, производители аккумуляторов предоставляют номинальное значение напряжения на основе характеристик элемента и, следовательно, не могут быть экспериментально подтверждены

Ток заряда и разряда:

Во время процесса разрядки в аккумуляторе электроны текут от анода к катоду. через нагрузку, чтобы обеспечить необходимый ток, и цепь замыкается в электролите.Во время процесса зарядки внешний источник подает зарядный ток, и окисление происходит на положительном электроде, в то время как восстановление происходит на отрицательном электроде. В практических целях термин C-rate используется для обозначения тока заряда или разряда относительно номинальной емкости. Например, скорость разряда 1 C означает, что аккумулятор полностью разрядится за 1 час.

Состояние заряда:

Состояние заряда (SoC) определяет количество сохраненной энергии относительно общей емкости накопления энергии батареи.В зависимости от технологии батареи для оценки этого значения используются разные методы.

Глубина разряда:

Часто называемый DoD (в%), этот параметр выражает емкость разряженной батареи относительно максимальной емкости. Каждая технология аккумуляторов поддерживает различные максимальные рекомендуемые уровни DoD, чтобы минимизировать его влияние на общий срок службы.

Срок службы:

Срок службы определяет количество циклов зарядки / разрядки, которое может выдержать аккумулятор, прежде чем он достигнет заданной энергоемкости или других критериев эффективности.Текущая скорость, с которой аккумулятор заряжается / разряжается, а также условия окружающей среды (например, температура и влажность) и DoD могут повлиять на это число, поскольку оно изначально рассчитывается производителем на основе конкретных условий заряда и разряда.

Саморазряд:

Этот параметр определяет снижение энергоемкости аккумулятора в условиях холостого хода (например, разомкнутой цепи) в результате внутренних коротких замыканий и химических реакций.Этот параметр может зависеть от условий окружающей среды, таких как температура и влажность, а также от DoD и истории заряда / разряда аккумулятора. Кроме того, этот параметр особенно важен при длительном хранении аккумуляторов на полках.

КПД в оба конца:

Из-за внутренних потерь и ухудшения качества материала не вся энергия, подаваемая в аккумулятор во время зарядки, может быть восстановлена ​​во время разрядки. Количество энергии, которое может быть получено от батареи во время процесса разрядки по сравнению с поданной энергией, определяет эффективность двустороннего переключения.Эта эффективность чувствительна к токам заряда и разряда. При более высоких токах увеличиваются тепловые потери и, следовательно, снижается эффективность

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора

---

Вот некоторые консервативные оценки мощности щелочно-марганцевого соединения хорошего качества. диоксидные батареи доступны в местном продуктовом магазине.

Тип батареи	Вместимость (мАч)	Типичный слив (мА)
Д	13000	200
С	6000	100
AA	2400	50
AAA	1000	10
N	650	10
9 Вольт	500	15
6 Вольт Фонарь	11000	300

Емкость батареи будет лучше при меньших токах утечки.Чтобы определить Срок службы батареи, разделите емкость на фактический ток нагрузки, чтобы получить часы работы. А Схема, которая потребляет 10 мА, питаемая от прямоугольной батареи на 9 В, будет работать около 50 часов: 500 мАч / 10 мА = 50 часов Напряжение щелочных элементов постоянно падает с использование от 1,54 вольт до примерно 1 вольта в разряженном состоянии. Напряжение около 1,25 вольт при точка сброса 50%. Щелочные элементы проявляют немного повышенную емкость при нагревании. и производительность значительно падает при температуре ниже точки замерзания.Меркурий и серебро оксидные батареи имеют почти вдвое большую емкость, чем щелочные батареи того же размера, но текущие рейтинги значительно ниже. Щелочные батареи также имеют хороший срок хранения. что делает их идеальными для домашних электронных проектов. Аккумуляторные батареи имеют меньше емкость, чем у первичных ячеек, как показано в следующей таблице. Эта диаграмма показывает емкость в процентах от емкости щелочной батареи тех же размеров.

Тип батареи	% Вместимость
Свинцово-кислотный	35
Никель-кадмиевый	30
Серебро-цинк	85

Новый тип перезаряжаемых щелочных батарей выходит на рынок во время это письмо и может предложить лучшее соотношение цены и качества, чем ni-cads.Никель-кадмиевые элементы имеют номинальное напряжение 1,2 вольт и обычно заряжаются при 1/10 ампер-часа. В зарядка занимает более 10 часов, так как этот тариф может зависеть от зарядки неэффективность. Полная зарядка обычно занимает не менее 14 часов. Специальные ячейки Ni-CAD могут выдерживают скорость зарядки, приближающуюся к номинальной ампер-час, но специальные зарядные устройства, которые сокращают требуется зарядный ток, когда аккумулятор нагревается. Свинцово-кислотные клетки имеют номинальное напряжение 2 В и может заряжаться с высокой скоростью, обычно выше ампер-часа ставка.Зарядное устройство может быть простым источником напряжения с ограничением по току, обеспечивающим 2,33 В на каждый ячейка при комнатной температуре с температурным коэффициентом -4 мВ / C.

---

Разные емкости аккумуляторов

Тип батареи	мАч	Типовой слив	Банкноты
223 Литий-марганцевый, 6 В	1500	50 мА	Отлично подходит для кратковременных сильных токов
28 л литий-марганцевый, 6 вольт	160	5 мА	Отлично подходит для легких нагрузок

См .