5 zasad ładowania wydłużających życie baterii

SAFT wyjaśnia w swoim artykule, w jaki sposób  działają akumulatory litowo-jonowe i dzieli się pięcioma najważniejszymi wskazówkami, jak ładować akumulatory litowo-jonowe klasy przemysłowej, aby zoptymalizować ich żywotność. Dowiadujemy się, dlaczego zrównoważenie prędkości i intensywności ładowania ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach przemysłowych, podobnie jak ma to miejsce w przypadku telefonów komórkowych, laptopów czy rowerów elektrycznych.

Wskazówka numer 1: Zrozum język baterii

Baterie litowo-jonowe składają się z dwóch elektrod: dodatniej i ujemnej. Kiedy ładujesz lub rozładowujesz baterię, elektrony wędrują na zewnątrz baterii jako prąd elektryczny, a jony przepływają z jednej elektrody do drugiej. To tak, jakby obie elektrody oddychały, wymieniając jony do środka i na zewnątrz.

Źródło: Charging your lithium-ion batteries: 5 expert tips for a longer lifespan © SAFT

Gdy bateria dostarcza zasilanie, elektrony przemieszczają się z anody do katody na zewnątrz baterii. Zastosowanie prądu wstecznego umożliwia samoczynne ładowanie akumulatora: elektrony są przesyłane z powrotem do anody, a jony litu powracają do katody. Proces ten przywraca pojemność baterii. Cały proces ładowania/rozładowania określany jest jako cykl. Liczba cykli, które może wykonać bateria, różni się w zależności od procesu produkcyjnego, składników chemicznych i rzeczywistych warunków użytkowania.

Pojemność akumulatora mierzona jest w Ah. Saft MP 176065 xtd może pochwalić się na przykład pojemnością 5,6 Ah, co oznacza, że ​​w temperaturze 25°C w godzinnym cyklu można dostarczyć 5,6A.

Bezpośredni wpływ pojemność mają następujące czynniki:

• Szybkość ładowania i rozładowania akumulatora zwana szybkością C. Prądy ładowania i rozładowania są zwykle wyrażane w ułamkach lub wielokrotnościach współczynnika C: ładowanie/rozładowanie C oznacza, że ​​akumulator zostanie naładowany lub rozładowany w ciągu godziny. Ładowanie/rozładowanie C/2 trwa dwie godziny, ładowanie/rozładowanie 2C trwa 30 minut itd. Dla baterii Saft MP 176065 xtd 5,6A o współczynniku C ładowanie C/2 przy 2,8 A zajęłoby około 2 godzin.
• Poziom napięcia, który odzwierciedla poziom naładowania: w naszym przykładzie MP 176065 xtd powyżej 4,2 V oznacza pełne naładowanie, 2,7 V oznacza, że ​​akumulator jest całkowicie rozładowany (następuje odcięcie napięcia).
• Temperatura ładowania, rozładowania i pracy.
• Ilość przebytych cykli: z czasem bateria traci pojemność z powodu fizycznej i chemicznej degradacji elektrod i elektrolitu.

Dobre zarządzanie zakresem rozładowania (depth of discharge, DoD). DoD oznacza procent pojemności, która została zużyta w stosunku do pełni naładowanego akumulatora) i maksymalnym napięciem ładowania może również zwiększyć liczbę cykli, które akumulator będzie w stanie wykonać, a co za tym idzie, polepszyć jego żywotność.

Wskazówka numer 2: Przestrzegaj procesu ładowania według modelu CCCV, zwłaszcza w trybie floating ( czyli ładowarka jest twoim najlepszym przyjacielem)

Ładowanie akumulatora litowo-jonowego nie jest takie proste. Kluczową rolę odgrywa tutaj zastosowana ładowarka, ponieważ sposób, w jaki ustawisz jej parametry, ma wpływ na żywotność baterii. Nie podłączaj baterii po prostu do jakiegokolwiek zasilacza ani tym bardziej nie używaj ładowarki zaprojektowanej do innej technologii (niklowo-kadmowej lub ołowiowej) - inaczej będziesz musiał stawić czoła problemom związanym z bezpieczeństwem.

Prawidłowe ładowanie akumulatora litowo-jonowego wymaga modelu składającego się z dwóch kroków: najpierw stały prąd (constant current, CC), a następnie stałe napięcie (constant voltage, CV). Najpierw stosuje się ładunek CC, aby doprowadzić napięcie do poziomu napięcia końcowego ładowania. Można nawet zdecydować się na zmniejszenie napięcia docelowego, co pomaga oszczędzać elektrodę. Po osiągnięciu żądanego napięcia rozpoczyna się ładowanie CV i prąd maleje. Gdy prąd jest zbyt niski, ładowanie jest zakończone i prąd musi zostać odłączony.

Na przykład, aby przywrócić MP 176065 xtd z powrotem do napięcia końcowego 4,2 V, można zastosować prąd 5,6A. Po osiągnięciu 4,2 V utrzymujesz ten poziom napięcia, powoli zmniejszając prąd do 100 mA lub mniej, a następnie go odłączając. Możesz również zdecydować się na napięcie tylko 4,1 V, oszczędzając w ten sposób elektrodę i wydłużając żywotność baterii.

Pojemność akumulatora zależy bezpośrednio od napięcia końcowego ładowania, więc obniżenie napięcia obniży jednocześnie pojemność akumulatora. Musisz znaleźć odpowiedni kompromis między potrzebną autonomią, minimalnym napięciem, przy którym może działać zasilane urządzenie, a żywotnością baterii.

Pozostawienie akumulatora w stanie stałego ładowania prądem pływającym po etapie CV podczas procesu ładowania nazywa się trybem pływającym (panel słoneczny jest typowym przykładem aplikacji stale funkcjonującej w trybie pływającym). Większość producentów nie zaleca trybu pływającego, ponieważ z czasem uszkadza on baterię. Chemia litowo-jonowa nie musi być chroniona za pomocą niskiego poziomu samorozładowania. Co więcej, jeśli konstrukcja baterii nie ma odpowiednich zabezpieczeń, utrzymanie szybkości ładowania w pełni naładowanego ogniwa może doprowadzić do jego przeładowania i wybuchu.

Seria xtd firmy Saft została specjalnie zaprojektowana do pracy w trybie pływającym, z ograniczonym starzeniem się w szerokim zakresie temperatur.

Rysunek: Proces ładowania Saft Li-ion CCCV

Źródło: Charging your lithium-ion batteries: 5 expert tips for a longer lifespan © SAFT

Wskazówka numer 3: Uważnie zaprojektuj swój BMS (Twój kolejny najlepszy przyjaciel)

Niezależnie od zastosowania, ogniwa Li-Ion muszą być powiązane z elektroniką. Ten kluczowy element elektroniczny nazywa się systemem zarządzania baterią, popularnie BMS (Battery Management System). Standardowe funkcje bezpieczeństwa przerywają rozładowanie / ładowanie, aby chronić akumulator przed nadmiernym lub zbyt niskim napięciem. BMS sprawdza temperaturę i odłącza akumulator, aby uniknąć przegrzania.

BMS może również zawierać elektronikę optymalizującą jednorodne ładowanie między poszczególnymi komórkami w zestawie akumulatorów (funkcja równoważenia). W akumulatorze zawierającym kilka ogniw  połączonych szeregowo, po jakiś czasie pracy poszczególne ogniwa pakietu starzeją się w innym tempie. Bez tej funkcji równoważenia wbudowanej w BMS, najszybciej starzejące się ogniwo zestawu będzie starzeć się jeszcze szybciej niż inne. Ponieważ żywotność pakietu jest bezpośrednio związana z najszybciej starzejącym się ogniwem, dobry system równoważenia poprawi żywotność baterii.

BMS można dostosować do konkretnej aplikacji. Niektóre mogą wyświetlać tzw. stan naładowania lub ‘stan zdrowia’ baterii - np. 85% stanu zdrowia oznacza, że ​​pojemność baterii spadła o 15% od początku jej użytkowania - jest to interesująca wskazówka, ponieważ przyjmuje się, że utrata 30% pierwotnej pojemności oznacza, że ​​akumulator zbliża się do końca swojej żywotności chemicznej i zbliża się czas jego wymiany.

Wskazówka numer 4: Obniż wskaźnik ładowania C

Przy niskiej prędkości ładowania (C/2, C/5 lub nawet mniej) jony litu interkalują płynnie w grafitowe arkusze, nie uszkadzając elektrod.

Wraz ze wzrostem szybkości ładowania interkalacja staje się jednak coraz trudniejsza. Jeśli szybkość jest zbyt duża, jony litu nie mają czasu, aby prawidłowo wniknąć w elektrodę i po prostu osadzają się na jej powierzchni, co powoduje przedwczesne starzenie się baterii.

Możliwe są większe szybkości ładowania, takie jak 4C lub 10C, niezwykle pożądane na przykład w przypadku akumulatorów urządzeń mobilnych lub pojazdów elektrycznych, ale wówczas konstrukcje elektrod muszą być inne, a ich oczekiwana żywotność jest krótsza.

W zależności od tego, jaki jest wymagany wobec danej aplikacji czas ładowania i od konkretnego przypadku użycia, należy znaleźć odpowiedni kompromis pomiędzy niezbędnym czasem/szybkością ładowania a tempem starzeniem się baterii. Szybkość ładowania C/50 jest lepsza dla elektrod, ale w przypadku rzadko której aplikacji można pozwolić sobie na ładowanie dłuższe niż 50 godzin! Czas ładowania 2C (30 minut) jest możliwy do osiągnięcia, ale przyspieszy starzenie się akumulatora.

Dlatego Saft zaleca ograniczenie szybkości ładowania produktów MP do C lub mniej.

Wskazówka numer 5: Kontroluj temperaturę ładowania

Większość akumulatorów Li-Ion wykorzystuje w jednej z elektrod materiał typu grafitowego. Podwyższona temperatura ładowania powoduje złuszczanie się płatów grafitu, co przyspiesza trwałą utratę pojemności akumulatora. Zjawisko to może ulec pogorszeniu w warunkach dużej szybkości ładowania: prąd ładowania zwiększa temperaturę i powoduje przyśpieszenie zjawiska złuszczania.

Wysoki poziom napięcia w połączeniu z wysoką temperaturą powoduje, że elektrochemia wytwarza gazy wewnątrz ogniwa, co przyspiesza proces jej starzenia się. W zależności od konstrukcji ogniwa, wysoka temperatura może również powodować pęcznienie ogniw. Takie odkształcenie może powodować zagrożenie bezpieczeństwa, gdy obudowa akumulatora lub sposób umieszczenia całej baterii nie pozwalają na zwiększenie jego rozmiarów. Należy upewnić się, że nie przekracza się limitów określonych przez producenta baterii lub - na przykład - w przegrzanym samochodzie w środku lata, zasilaj baterię wybierając dłuższy czas ładowania!

Jeśli konstrukcja akumulatora nie zawiera obowiązkowych zabezpieczeń przeciwko przeładowaniu, nadmiernemu rozładowaniu czy nadmiernego wzrostu temperatury, temperatura wewnętrzna ogniwa wyższa niż 130°C może prowadzić do niestabilności termicznej.

Większość akumulatorów litowo-jonowych może wytrzymać maksymalną temperaturę 60°C a jednocześnie, poniżej szybkości ładowania C/2, zaleca się ładowanie w temperaturze maksymalnie 45°C. Dzięki unikalnej konstrukcji, seria MP Saft może utrzymać szybkość ładowania C do 60°C a C/5 do 85°C dla produktów xtd.

Bardzo niewiele akumulatorów można ładować w temperaturze poniżej 0°C. W takich warunkach arkusze elektrod kurczą się, a przewodność elektronowa elektrolitu spada, co komplikuje interkalację jonów w graficie. Mogą wówczas powstawać osady litu, które powodują trwałą utratę pojemności. Aby skompensować i umożliwić prawidłową interkalację jonów, podczas pracy poniżej 0°C, niektórzy producenci zalecają ładowanie akumulatora z bardzo małą szybkością, rzędu C/20.

Seria MP firmy Saft może być ładowana w bardzo niskich temperaturach, sięgających -30 ° C, przy zachowaniu szybkości C/8, a nawet C/5.

Podsumujmy 5 najważniejszych wskazówek, jak ładować akumulatory litowo-jonowe klasy przemysłowej, aby zoptymalizować ich żywotność:

• Wskazówka numer 1: Zrozum język baterii. Wiedza o tym, jak działa bateria, pomoże zoptymalizować sposób ładowania i rozładowywania, umożliwiając jak najlepsze wykorzystanie akumulatora.
• Wskazówka numer 2: Przestrzegaj modelu ładowania CCCV, zwłaszcza w trybie floating Akumulatory muszą być ładowane według określonej procedury, zwykle obsługiwanej  przez indywidualnie dobraną ładowarkę.
• Wskazówka numer 3: Starannie zaprojektuj swój BMS zwłaszcza gdy używasz wieloogniwowego zestawu baterii.
• Wskazówka numer 4: Zmniejsz szybkość ładowania C: Przy niskiej prędkości ładowania jony wplatają się płynnie w elektrodę, wydłużając w ten sposób żywotność baterii.
• Wskazówka numer 5: Kontroluj temperaturę ładowania: Baterie działają najlepiej, gdy są ładowane w temperaturze otoczenia. Wysokie lub niskie temperatury prowadzą do przedwczesnego starzenia się akumulatora.

Źródło: Charging your lithium-ion batteries: 5 expert tips for a longer lifespan © SAFT