Co je vybíjecí cyklus?

Minulé úterý telefonoval se startupem, který dělal své první kapesní zařízení. PM se mě ptá, kolikrát mohou jejich uživatelé nabít baterii. Řekl jsem, že záleží. Chtěl číslo. Řekl jsem mu možná 500 za dokonalých podmínek, které v terénu nikdy nebudou.

To je problém s vybíjecími cykly. Koncept je smrtelně jednoduchý, ale jeho použití na skutečné produkty se rychle komplikuje.

Vaše baterie nepočítá zásuvné-moduly. Počítá propustnost kapacity. Vypusťte 100 % kapacity štítku a to je jeden cyklus. Udělejte to najednou nebo to rozložte na týden částečných výbojů - stejný výsledek.

18650, který právě teď sedí ve vaší baterce, může být na cyklu 47 nebo cyklu 212. Pokud jste nábožensky nesledovali amp-hodiny, nemáte tušení. Buňka to určitě neví. Uvnitř není žádný malý pult. Váš BMS to odhaduje na základě počítání coulombů a posunů počítání coulombů. Rozebral jsem balení, kde byl hlášený počet cyklů nižší o 30 % ve srovnání se skutečným stárnutím podle kalendáře.

Samsung SDI zveřejnil v roce 2019 některá data, která ukazují, že jejich 21700 buněk dosáhlo 83% zachování kapacity v cyklu 300 podle standardního testovacího protokolu. Buňky Panasonic NCR ze stejné doby byly spíše 78 % při 300 cyklech. Tato čísla pocházejí z klimatických komor při 23 stupních s CC-CV nabíjením při 0,5 °C a vybíjením při 1 °C až 2,5 V přerušení. Váš počet najetých kilometrů se bude lišit, protože váš případ použití není klimatická komora.

Každý v tomto odvětví mluví o hloubce vybití jako o nějaké magické páce. Mělké cykly prodlužují život, hluboké cykly zabíjejí buňky rychleji. Dost pravda. Ale vztah není to, co většina lidí očekává.

V roce 2021 jsem vedl vedlejší projekt, ve kterém jsem se snažil toto kvantifikovat pro zákazníka zdravotnického zařízení. Vzali jsme 200 buněk ze stejné výrobní šarže, rozdělili je do skupin a cyklovali na různých úrovních DoD po dobu osmi měsíců. Skupina 100% DoD vytvořila krátery kolem cyklu 380. Skupina 60% DoD měla stále 88% kapacitu při ekvivalentu 900 úplných cyklů. Skupina 30% DoD po roce téměř nevykázala žádnou degradaci.

Ale tady je to, co vám datasheety neřeknou. Kalendářní stárnutí pohlcovalo všechny skupiny zhruba stejným tempem bez ohledu na cyklistiku. Do desátého měsíce dokonce i buňky, kterých jsme se sotva dotkli, ztratily 4-5% kapacity, jen tak seděly při 50% stavu nabití v 25stupňové místnosti. Buňky tvrdě cyklovaly byly zasaženy z obou směrů – cyklické stárnutí plus kalendářní stárnutí naskládané na sebe.

Když se tedy váš zákazník zeptá, proč jeho dva{0}}roky-staré zařízení nevydrží tak dlouho, i když ho „sotva nepoužíval“, - právě proto.

Discharge Cycle

V garáži mám krabici článků z baterie golfového vozíku, která strávila tři léta v kůlně v Tucsonu. Majitel přísahal, že vozík používal jen dvakrát za měsíc. Balení bylo dimenzováno na 2000 cyklů. Zemřel ve 160. Buňky vypadaly navenek dobře. Jedna prasklá a rosolová rolka měla na oddělovači hnědé skvrny. Elektrolyt se částečně rozložil.

Teplo zabíjí lithiové články. Ne rychle jako mrtvola. Pomalu, jako když necháte máslo na pultě.

Arrheniův vztah vám dává zhruba 2x rychlost degradace na každých 10 stupňů nad 25 stupňů. Ale to je průměr napříč chemií. NMC články, které jsem testoval, padaly rychleji. LFP obstálo lépe. Vakové články, které používáme pro nositelná zařízení, jsou citlivější než válcové články se stejnou chemií, protože tepelná hmota je nižší a při zatížení se prudce zahřívají.

Studený výtok je nepříjemný, ale ne destruktivní. Dočasně ztrácíte kapacitu. Vrací se, když se buňka zahřeje. Vybil jsem články při -15 stupních, které dávaly pouze 61 % jmenovité kapacity, pak jsem je nechal zahřát na pokojovou teplotu a při dalším vybití jsem získal plných 3,2 Ah. Zabijákem je studené nabíjení – lithiové pokovení na anodě. To poškození je trvalé. Většina BMS blokuje nabíjení pod 0 stupňů přesně z tohoto důvodu.

Každý výboj přesune ionty lithia z grafitové anody na katodu. Každé obvinění je tlačí zpět. Udělejte to dostatečně často a věci se začnou hroutit.

Vrstva SEI na anodě zesílí. Tato vrstva tam má být -, která chrání grafit před elektrolytem. Ale roste s každým cyklem a růst znamená, že spotřebovává lithium, které by jinak mohlo ukládat energii. To je důvod, proč kapacita klesá, i když se nic dramatického neděje.

Částice katody praskají. Katody NMC a NCA mají krystalovou strukturu, která se rozšiřuje a smršťuje, když se lithium pohybuje dovnitř a ven. Tvoří se mikro-trhliny. Povrchová plocha se zvětšuje. Vedlejší reakce se zrychlují. Viděl jsem průřezy-částic katody z článků s vysokým-cyklem, které pod mikroskopem vypadají jako rozbité sklo ve srovnání s čerstvými články ze stejné šarže.

Elektrolyt se rozpadá. Stopová voda způsobuje problémy. Vysoké napětí urychluje oxidaci. Skončíte s generováním plynu, zvýšenou impedancí a nakonec se článek nabobtná nebo odvzdušní.

Nic z toho se neděje rovnoměrně. Buňky ve vašem sériovém řetězci, které jsou teplejší nebo začaly s mírně nižší kapacitou, stárnou rychleji. Po roce nebo dvou se váš „spárovaný“ balíček již neshoduje. Slabý článek omezuje celý řetězec při vybití a přetěžuje se ve snaze udržet krok. Odtud spirála smrti.

IEC 62660 a různé normy UL vám poskytují základ. Předejte je a můžete odeslat produkt. Ale pozoroval jsem, že buňky testují eso na certifikaci a pak se o šest měsíců později objeví v terénu s oteklými váčky.

Certifikační testy jsou navrženy tak, aby byly opakovatelné napříč laboratořemi, ne aby simulovaly skutečné použití. Nikdo nepoužívá svůj telefon při konstantním proudu přesně 0,5 °C. Nikdo nenabíjí své elektrické nářadí v dokonalém CC-profilu CV při 25 stupních .

Pokud to myslíte vážně s pochopením toho, jak bude váš balíček fungovat, musíte sestavit testovací protokol, který odpovídá vašemu skutečnému uživateli. Profilujte svůj očekávaný vybíjecí proud. Zahrňte doby odpočinku. Dosáhněte teplotních extrémů, které váš produkt uvidí. Spusťte dostatek buněk, abyste získali statistickou spolehlivost -, což znamená alespoň 15–20 na testovací podmínku, nikoli 3–5, kterým se většina startupů snaží uniknout.

Články, které selžou při testování na začátku života, měly téměř vždy výrobní vady. Otřepy na elektrodě, znečištění, špatné svary na jazýčkách. Ty se projeví v prvních 50 cyklech. Buňky, které selžou pozdě -, jsou ty, které vám řeknou něco o vašem návrhu.

Očekávanou životnost cyklu můžete vypočítat, pokud znáte svůj uživatelský profil. Telefon, který se nabíjí denně, se před připojením k síti - vybije v průměru na 20 %, což je zhruba 0,8 cyklu za den. Během dvou{5}}očekávané životnosti se díváte na 580 cyklů. Pokud jsou vaše články dimenzovány na 500 cyklů na 80% kapacitu, začnou se stížnosti objevovat kolem 18. měsíce.

To je důvod, proč Apple a Samsung předimenzují své balíčky vzhledem k inzerované kapacitě. „100 %“, které vidíte na svém telefonu, není 100 % toho, co buňky skutečně pojmou. Udržují nárazník nahoře a dole, aby snížili stres na buňky. Váš telefon může mít fyzickou kapacitu 4 500 mAh, ale software vám umožňuje použít pouze 4 000 mAh.

Stejný nápad funguje pro jakýkoli produkt s baterií. Můžete dosáhnout cíle životnosti cyklu pomocí lepších buněk -, které stojí více -, nebo jej můžete dosáhnout přidáním další kapacity a snazším provozem buněk. Druhá možnost obvykle vyhraje na celkové ceně, když zohledníte záruční rezervy.

Discharge Cycle

Vybíjecí cyklus je jen způsob, jak kvantifikovat opotřebení. Jako počítadlo kilometrů na autě, ale vztah mezi mílemi a zbývajícím životem je mnohem horší. Dvě balení po 300 cyklech mohou mít zcela odlišnou zbývající kapacitu v závislosti na tom, jak se tam dostaly.

Výrobci článků vám poskytnou svá čísla. Vaším úkolem je zjistit, jak se tato čísla promítnou do vašeho konkrétního produktu a vašich konkrétních uživatelů. Na to není žádný vzorec. Testujete, odesíláte, sledujete data z terénu a upravujete.