Što je ciklus pražnjenja?

Imali smo poziv prošlog utorka s startupom koji radi svoj prvi ručni uređaj. PM me pita koliko puta njihovi korisnici mogu napuniti bateriju. Rekao sam da ovisi. Htio je broj. Rekao sam mu 500, možda, pod savršenim uvjetima koji nikada neće postojati na terenu.

To je problem s ciklusima pražnjenja. Koncept je krajnje jednostavan, ali njegova primjena na stvarne proizvode brzo postaje komplicirana.

Vaša baterija ne broji dodatke-. Broji propusnost kapaciteta. Ispraznite 100% kapaciteta s natpisne pločice i to je jedan ciklus. Učinite to odjednom ili rasporedite na tjedan djelomičnog pražnjenja - isti rezultat.

18650 koji trenutno sjedi u vašoj svjetiljci mogao bi biti u ciklusu 47 ili 212. Osim ako niste religiozno pratili amp-sati, nemate pojma. Ćelija sigurno ne zna. Unutra nema malog pulta. Vaš BMS to procjenjuje na temelju brojanja kulona i pomaka pri brojanju kulona. Rastavljao sam pakete gdje je prijavljeni broj ciklusa bio manji za 30% u usporedbi sa stvarnim starenjem kalendara.

Samsung SDI objavio je neke podatke još 2019. koji pokazuju da njihovih 21700 ćelija postižu 83% zadržavanja kapaciteta u ciklusu 300 prema njihovom standardnom testnom protokolu. Panasonic NCR ćelije iz iste ere bile su oko 78% u 300 ciklusa. Ovi brojevi dolaze iz klimatskih komora na 23 stupnja s CC-CV punjenjem na 0,5C i pražnjenjem na 1C do 2,5V prekida. Vaša će kilometraža varirati jer vaš slučaj upotrebe nije klima komora.

Svi u ovoj industriji govore o dubini pražnjenja kao da je to neka čarobna poluga. Plitki ciklusi produljuju život, duboki ciklusi brže ubijaju stanice. Istinito. Ali veza nije onakva kakvu većina ljudi očekuje.

Vodio sam sporedni projekt 2021. pokušavajući to kvantificirati za kupca medicinskih uređaja. Uzeli smo 200 ćelija iz iste proizvodne serije, podijelili ih u grupe i ciklički ih pratili na različitim razinama DoD-a osam mjeseci. Grupa sa 100% DoD-a raspala se oko ciklusa 380. Grupa sa 60% DoD-a još uvijek je imala 88% kapaciteta što je ekvivalentno 900 punih ciklusa. Grupa od 30% DoD-a jedva je pokazala ikakvu degradaciju nakon godinu dana.

Ali evo što vam podatkovne tablice neće reći. Starenje kalendara zahvatilo je sve skupine otprilike istom brzinom, bez obzira na ciklus. Do desetog mjeseca, čak i ćelije koje smo jedva dotaknuli izgubile su 4-5% kapaciteta samo sjedeći tamo na 50% napunjenosti u prostoriji od 25 stupnjeva. Stanice koje su imale jake cikluse bile su pogođene iz oba smjera - ciklus starenja plus kalendarsko starenje naslagane jedna na drugu.

Dakle, kada vaš kupac pita zašto njihov dvije{0}}godi-uređaj ne traje tako dugo iako su ga "jedva koristili" - to je razlog.

Discharge Cycle

Imam kutiju ćelija u svojoj garaži iz baterije za golf kolica koja je provela tri ljeta u šupi u Tucsonu. Vlasnik se zakleo da je koristio kolica samo možda dva puta mjesečno. Pakiranje je ocijenjeno za 2000 ciklusa. Umro je u 160. godini. Stanice su izvana izgledale dobro. Puknuo sam jednu otvorenu i rolada sa želeom imala je smeđe mrlje na separatoru. Elektrolit se djelomično raspao.

Toplina ubija litijeve ćelije. Nije brz kao mrtav kratak. Polako, kao da ostavljate maslac na pultu.

Arrheniusov odnos daje vam otprilike 2x stopu degradacije za svakih 10 stupnjeva iznad 25 stupnjeva. Ali to je prosjek svih kemija. NMC stanice koje sam testirao otpale su brže. LFP se bolje držao. Ćelije u vrećicama koje koristimo za nosive materijale osjetljivije su od cilindričnih ćelija s istom kemijom jer je toplinska masa manja i zagrijavaju se pod opterećenjem.

Hladni iscjedak je neugodan, ali ne i destruktivan. Privremeno gubite sposobnost. Vraća se kada se stanica zagrije. Ispraznio sam ćelije na -15 stupnjeva koje su dale samo 61% nazivnog kapaciteta, zatim sam ih pustio da se ugriju na sobnu temperaturu i dobio sam punih 3,2 Ah pri sljedećem pražnjenju. Hladno punjenje je ubojica - litijska presvlaka na anodi. Ta šteta je trajna. Većina BMS-a blokira punjenje ispod 0 stupnjeva upravo iz tog razloga.

Svako pražnjenje pomiče litijeve ione s grafitne anode na katodu. Svaka optužba ih gura natrag. Učinite to dovoljno puta i stvari će se početi kvariti.

SEI sloj na anodi se zadeblja. Taj sloj bi trebao biti tamo - on štiti grafit od elektrolita. Ali raste sa svakim ciklusom, a rast znači da troši litij koji bi inače mogao skladištiti energiju. Zbog toga kapacitet blijedi čak i kada se ništa dramatično ne događa.

Čestice katode pucaju. NMC i NCA katode imaju kristalnu strukturu koja se širi i skuplja dok litij ulazi i izlazi. Nastaju mikro-pukotine. Povećava se površina. Nuspojave se ubrzavaju. Vidio sam poprečne-presjeke čestica katode iz stanica visokog-ciklusa koje pod mikroskopom izgledaju poput razbijenog stakla u usporedbi sa svježim stanicama iz iste serije.

Elektrolit se raspada. Voda u tragovima uzrokuje probleme. Visoki napon ubrzava oksidaciju. Završite s stvaranjem plinova, povećanom impedancijom i na kraju ćelija nabubri ili otvori ventilaciju.

Ništa od ovoga ne događa se ravnomjerno. Ćelije u vašem nizu nizova koje se zagrijavaju ili su počele s nešto manjim kapacitetom brže stare. Nakon godinu ili dvije, vaš "podudarni" paket više nije uparen. Slaba stanica ograničava cijeli niz pri pražnjenju i preopterećuje se pokušavajući održati korak. Spirala smrti odatle.

IEC 62660 i razni UL standardi daju vam osnovu. Predajte ih i možete poslati proizvod. Ali gledao sam kako stanice prolaze kroz certifikacijska testiranja i onda se šest mjeseci kasnije pojavljuju u povratima s polja s natečenim vrećicama.

Certifikacijski testovi osmišljeni su tako da se mogu ponoviti u laboratorijima, a ne da simuliraju stvarnu upotrebu. Nitko ne koristi svoj telefon na točno 0,5C konstantne struje. Nitko ne puni svoj električni alat na savršenom CC-CV profilu na 25 stupnjeva.

Ako ozbiljno želite razumjeti kako će vaš paket funkcionirati, trebate izgraditi testni protokol koji odgovara vašem stvarnom korisniku. Profilirajte očekivanu struju pražnjenja. Uključite razdoblja odmora. Dođite do ekstremnih temperatura koje će vaš proizvod vidjeti. Pokrenite dovoljno ćelija da dobijete statističku pouzdanost -, a to znači najmanje 15-20 po testnom uvjetu, a ne 3-5 s kojima se većina startupa pokušava izvući.

Stanice koje ne prođu rano testiranje gotovo su uvijek imale proizvodne greške. Neravnine na elektrodi, onečišćenje, loši varovi na jezičcima. One će se pojaviti u prvih 50 ciklusa. Ćelije koje kasno zakažu - one su one koje vam govore nešto o vašem dizajnu.

Možete izračunati očekivani vijek trajanja ako znate svoj korisnički profil. Telefon koji se puni svaki dan, možda se u prosjeku isprazni do 20% prije uključivanja -, što je otprilike 0,8 ciklusa dnevno. Tijekom dvo-godišnjeg očekivanog života, gledate na 580 ciklusa. Ako su vaše ćelije predviđene za 500 ciklusa do 80% kapaciteta, počet ćete dobivati pritužbe oko 18. mjeseca.

To je razlog zašto Apple i Samsung povećavaju svoje pakete u odnosu na oglašeni kapacitet. "100%" koje vidite na svom telefonu nije 100% onoga što ćelije zapravo mogu držati. Oni drže tampon na vrhu i dnu kako bi smanjili stres na stanice. Vaš telefon može imati 4500 mAh fizičkog kapaciteta, ali softver vam dopušta upotrebu samo 4000 mAh.

Ista ideja vrijedi za bilo koji baterijski proizvod. Možete ili postići svoj cilj trajanja ciklusa s boljim ćelijama - koje koštaju više - ili ga možete postići stavljanjem dodatnog kapaciteta i lakšim radom ćelija. Druga opcija obično pobjeđuje na ukupnom trošku kada uračunate rezerve jamstva.

Discharge Cycle

Ciklus pražnjenja samo je način kvantificiranja trošenja. Kao milje na odometru na automobilu, ali odnos između kilometara i preostalog životnog vijeka je gnjecaviji. Dva pakiranja od 300 ciklusa mogu imati potpuno različit preostali kapacitet, ovisno o tome kako su tamo dospjeli.

Proizvođači ćelija će vam dati svoje brojeve. Vaš je posao otkriti kako se te brojke prevode na vaš određeni proizvod i vaše određene korisnike. Ne postoji formula za to. Testirate, šaljete, gledate terenske podatke i prilagođavate se.