Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

[Slider]

Немного терминов:
DoD — Depth of Discharge — глубина разряда.
SoC — State of Charge — уровень заряда.

[b-b]Использование аккумуляторов[/b-b]

Количество циклов

На данный момент есть теория, что зависимость количества циклов, которые может выдержать аккумулятор от степени разряда аккумулятора в цикле имеет следующий вид (синим обозначены циклы разрядки, черным — эквивалентные полные циклы):

Данная кривая носит названия кривой Вёлера (Wöhler). Основная идея пришла из механики о зависимости числа растяжений пружины от степени растяжения. Начальное значение в 3000 циклов при 100% разряде батарей является средневзвешенным числом при разряде в 0,1С. Какие-то аккумуляторы показывают лучшие результаты, какие-то хуже. При токе 1С число полных циклов при 100% разряде падает с 3000 до 1000-1500 в зависимости от производителя.
В целом, данное соотношение, представленное на графиках, получило подтверждение по результатам экспериментов, потому целесообразным является зарядка аккумулятора при любой возможности.

Расчет суперпозиции циклов

При эксплуатации аккумуляторов возможна работа при одновременном наличии двух циклов (например, рекуперативное торможение в автомобиле):

Получается следующий комбинированный цикл:

Возникает вопрос, как это сказывается на эксплуатации аккумулятора, сильно ли уменьшается ресурс аккумулятора?
По результатам экспериментов комбинированный цикл показал результаты, как от сложения полных эквивалентных циклов двух независимых циклов. Т.е. относительная емкость аккумулятора в комбинированном цикле падала соответственно сумме разрядов на малом и большом циклах (линеаризованный график представлен ниже).

Влияние больших циклов разрядки более существенно, а значит подтверждается то, что аккумулятор лучше заряжать при каждой возможности.

Эффект памяти

Эффект памяти литий-ионных аккумуляторов по результатам экспериментов отмечен не был. При различных режимах его полная емкость все равно впоследствии не изменялась. В то же время есть ряд работ, которые подтверждают наличие данного эффекта в литий-фосфатных и литий-титановых аккумуляторах.

[b-b]Хранение аккумуляторов[/b-b]

Температуры хранения

Тут никаких необычных открытий не было сделано. Температуры 20-25°C являются оптимальными (в обычной жизни) для хранения аккумулятора, если его не использовать. При хранении аккумулятора при температуре в 50°C деградация емкость идет практически в 6 раз быстрее.
Естественно более низкие температуры лучше для хранения, но в быту это означает специальное охлаждение. Так как температура воздуха в квартире, как правило, 20-25°C, то и хранение скорее всего будет при такой температуре.

Уровень заряда

Как показали испытания, чем меньше заряд тем медленнее идет саморазряд аккумулятора. Измерялась емкость аккумулятора, какой бы она была при его дальнейшем использовании после длительного хранения. Наилучший результат показали аккумуляторы, которые хранились с зарядом близким к нулю.
В целом хорошие результаты показали аккумуляторы, которые хранились не более чем с 60% уровнем заряда на момент начала хранения. Цифры отличаются от приведенных ниже для 100% заряда в худшую сторону (т.е. аккумулятор придет в негодность ранее, чем указано на рисунке):

Рисунок взят из статьи 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
В то же время цифры для малого заряда более оптимистичны (94% после года при температуре 40°C для хранения при SOC 40%).
Так как 10% заряд непрактичен, так как время работы при таком уровне весьма маленькое, хранить аккумуляторы оптимально при SOC 60%, что позволит применить его в любой момент и не скажется критично на сроке его службы.

Основные проблемы результатов экспериментов

Никто не проводил тесты, которые можно считать на 100% достоверными. Выборка, как правило, не превышает пары тысяч аккумуляторов из миллионов произведенных. Большинство исследователей не могут представить достоверные сравнительные анализы по причинам недостаточной выборки. Также результаты этих экспериментов зачастую являются конфиденциальной информацией. Так что данные рекомендации не обязательно подходят к вашему аккумулятору, но могут считаться оптимальными.

[b-b]Итоги экспериментов[/b-b]

Оптимальная частота зарядки — при каждой возможности.
Оптимальные условия хранения — 20-25°C при 60% заряде аккумулятора.

(с) Habrhabr

Мне кажется данная статья вполне достойна занесения в анналы ЧАВО данного форума.

[Slider]

Нужно ли "тренировать" ли-он акумуляторы и будет ли от этого польза?

Ответ: нет.

Тренировка литиевых аккумуляторов, состоящих из одной банки, бессмысленна. Не вредна, но тратит циклы работы аккумуляторов. В мобильных устройствах тренировку нельзя даже оправдать работой контроллера — параметры аккумулятора одинаковы, не меняются в зависимости от модели и времени. Единственное, на что может влиять недостаточный разряд — на точность показаний индикатора заряда (но не на время работы), но для этого достаточно одной полной разрядки раз в полгода.
Еще раз. Если у вас плеер, телефон, рация, кпк, планшет, дозиметр, мультиметр, часы или любой другой мобильный девайс, использующий аккумулятор Li-Ion или Li-Pol(если он съемный, на нем будет написано, если он не съемный — то 99% это литий) — «тренировка» длиннее одного цикла бесполезна. Один цикл тоже, скорее всего, бесполезен.
Если у вас аккумулятор для управляемых моделей, то первые несколько циклов надо разряжать малыми токами(малыми, хе-хе. Для них малые — это 3-5С. Это вообще-то полтора ампера на 11 вольтах. А рабочие токи там до 20С). Ну, кто пользуется этими аккумуляторами, тот знает. А всем остальным это не пригодится, разве что для общего развития.

(с) HabrHabr

[Slider]

Приведенная в первом посте статья отвечает на вопрос, стоит ли выкатывать акум до конца, или надо ли заряжать при первой возможности, и рекомендации, приведенные в ней, относиться именно к этому.
Вывод статьи состоит в том что, частота полуциклов и глубина разряда в пределах эксплуатационных значений (по даташиту) не оказывает большого влияния на срок эксплуатации аккумулятора.
Однако реальный режим эксплуатации акума подразумевает еще и его хранение в промежутках между зарядами. Теория гласит, что чем выше заряд аккумулятора (напряжение аккумулятора), тем быстрее идет деградация электродов элементов, и соответственно деградация ёмкости аккумулятора. Поэтому для продления срока эксплуатации аккумулятора, его целесообразно заряжать не сразу после поездки (окончания цикла эксплуатации), а непосредственно перед началом новой поездки (новым циклом эксплуатации)

[Technological]

Тут утверждается пополнять батарею при каждой возможности, однако на практике для большинства пользователей это означает пополнять до полного заряда, что выдает зарядник. Это не верный совет.
Понятна польза микроциклов. Это означает, что мало разрядить и тут же пополнить до прежнего уровня (не обязательно 100%).
Однако заряжать до большого уровня и держать батарею на нем - уже очень плохо для нее, поскольку происходит более быстрая деградация.
Не следует советовать заряжать прикаждой же возможности! Поскольку люди поймут "заряжать до 100%".
Надо сделать оговорку про SoC (уровень заряда). Зарядка до большого уровня подвергает батарею стрессу и снижает ее циклы. Рекомендуется не более 90% емкости (удержание 4.1В при падении тока зарядки).
Кроме того, пребывание батареи на 100% заряда дает деградацию 20% емкости за год при температуре 20С, а пребывание при 40% заряда дает деградацию 5% за год.
Для илюстрации уровней зарядки и разрадки картинка:

Ссылка с подробной информацией (англ.):
http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries

Резюме:
Чем меньше заряжена батарея, тем лучше, и чем менее глубокие циклы, тем лучше.
Cлишком малый заряд, особенно без BMS, тоже плохо (напряжение на каждой ячейке не должно падать ниже 3.3 вольта), лучше не опускаться ниже 20% без BMS.

п.с. лично я держу батарею в середине заряда (40-60%) и подтыкаю зарядник часто и ненадолго, примерно до 4 вольт заряда на ячейку. Это дает и микроциклы и меньшую деградацию от степени заряда.

[Xo66om]

Самый частый встечающийся вариант зарядки будет - оставить его на ночь и отключить утром. И так почти каждый день пока сезон. Следить за процентами или заряжать перед поездкой можно, но этим редко кто будет заниматься. Так что тема полезна для общего развития, а для практики мало кому. Всем спасибо

[tmiaer]

[user]Xo66om[/user], зарядные устройства бывают регулируемые (или легко в них переделываются). Уровень заряда литий-ионного аккумулятора (за исключением железо-фосфата) однозначно задаётся напряжением. Никакой сложности установить с вечера напряжение для необходимого уровня заряда на завтрашнюю поездку не составляет. Есть контроллеры с функцией заряда, с возможностью, опять же, настроить нужный уровень. Есть умные бмски, в которых можно настроить отсечку (хотя это костыль). У многих несколько зарядок, настроенных на разные пороги. Есть таймеры, в конце-концов.
Вопрос целесообразности. Для самоката или лёгкого электровелосипеда с батарейкой до 0.5квт*ч может это и не актуально, можно и заменить раз в год-два по износу. Но для тех, у кого ёмкость батареи измеряется киловатт-часами, а её стоимость многими десятками тысяч рублей, изложенная информация имеет неоспоримую практическую пользу.

[Kev1n]

Допустимо ли постоянно держать аккумулятор на 100% заряженным? Байк всегда в гараже в зарядку включен

[tmiaer]

[user]Kev1n[/user], Не стоит.

[improver]

Подскажите. Хотелось-бы прояснить вопрос о вреде высаживания в ноль литий-ионной батареи, то есть до её отключения контроллером или БМС.

Из редких обрывочных упоминаний на форуме у меня сложилось впечатление, что высаживание в ноль серьёзно вредит батарее уменьшая ресурс и ёмкость. Явно и с цифрами мне про это нигде не встретилось. Так ли это, что показывает практика? На сколько, хотя-бы оценочно, уменьшается ресурс и, самое главное, ёмкость? То есть, например (условно), одно высаживание в ноль снижает ёмкость на 3% от первоначальной и на 1% число циклов заряд-разряд (максимально доступное в пересчёте на 100% заряд-разряд). Ниже какого порога разряжать не желательно - 10%, 20%, 30% ?

Ведь если это действительно так, то это один из важнейших моментов и об этом должно-бы быть написано большими красными буквами где-нибудь в информации для новичков или часто задаваемых вопросах. А я узнал про это только в конце сезона, да и то случайно. Даже в профильном магазине, где я покупал электросамокат, мне про это не рассказали. Второй пост этой темы ситуацию не проясняет. Там есть график разрядки со 100% до 25%, но снижение ёмкости при этом всё-таки относительно небольшое для 100 циклов, даже если экстраполировать за 25%. То, что хранить при 100% заряде не желательно я понял, это другой момент, тоже важный и, IMHO, заслуживающий выделения красным шрифтом.

Конкретно я столкнулся с тем, что откатав сезон на своём первом электротранспорте, электросамокате, обнаружил существенное снижение максимального пробега, с 47 до 34 км, при общем пробеге 900. Это 28%. Раз 6-8 я разряжал батарею до конца, особенно поначалу, чтобы выяснить максимальный запас хода. Плюс несколько раз не в ноль, но до низких значений. Правда 47 км было летом, а 34 в октябре при 10 градусах тепла и полуспущенных с 2.2 до 1 бара 10" колёсах (заметил только в конце теста). Плюс может быть есть незначительные проблемы с подшипниками, но не факт. Но и скорость при последнем тесте была меньше, 15-20 км/ч, а все эти дополнительные факторы, насколько я понимаю, не могут столь значительно уменьшать пробег, максимум километров на 5. Да и батарея саму себя немного греет, плюс греются контроллеры внутри деки. Ещё, правда, есть сомнения в наличии функции балансировки у моей БМС, я просто не знаю. Но самокат у меня не слишком дешёвый, по качественнее куг, Icewheel S9. Итого можно грубо оценить: 3.5-4.5% за полный разряд -> добавив случаи "не в ноль" и вычтя дополнительные факторы, скажем - 2% снижения ёмкости за одно высаживание в ноль.

Сознательно задаю вопрос здесь, а не в обсуждении данной темы как положено, так как там всё давно заглохло, а вопрос важный, не хуже последнего вопроса здесь.

К слову сказать, я так и не понял как связаны между собой два графика на первой картинке в первом посте этой темы. Разъяснения в обсуждении ничего не проясняют.

[tmiaer]

В ноль, в смысле, до нуля вольт - да. Сильно вредит. Может даже одного такого разряда хватить, чтобы аккум полетел в мусорку.

Если разряд идёт до даташитных порогов (2.7-2.5В), по которым отключает бмс, то это не в ноль. Это паспортный режим работы, при котором производителем гарантируются условные 300-500 циклов. Ни о каких единицах процентов потерь в таком режиме не может идти речи. Там десятые или, скорее, сотые доли.
Т.е порядок цифр такой, что один разряд до отключения бмс снижает ёмкость, например, на 0.02%, а разряд до 20% на 0.01%. Это на хороших ячейках.

По своему многолетнему опыту эксплуатации различного лития могу сказать, что все эти графики и советы по режиму эксплуатации - это, конечно, хорошо. Но решающим фактором для долгого срока службы является изначальное качество ячеек. И тут сколько подорожник не прикладывай, но если ячейки - хлам с подвала дядюшки Хусуньвынь, то им суждено сдохнуть за сезон в любом режиме. В противном случае они даже в режиме 0-100% по несколько лет ходят с разумным износом, порой меньшим, чем в даташите.

Общие советы уже написаны в начале темы. Могу повторить: по возможности эксплуатировать батарею вблизи середины. Например, 70-30% или 80-20%. Чем уже диапазон и ближе к середине, тем лучше. Крайние 10% и сверху и снизу особенно малополезны. Но все эти режимы не должны идти вразрез с комфортом. Если есть необходимость ехать далеко, нет никаких причины, чтобы не использовать батарею на полную - с 100 до 0% (вплоть до отключения бмс).

Опять же, зависит от химии. Какая-то в большей степени не любит полный заряд, а к разряду до 2.7 относится спокойно, какая-то наоборот. Что конкретно намешано в ваших ячейках - известно только их производителю.

Кстати, во многих самокатах недозаряд на 5-10% является штатной функцией. Это нужно, чтобы рекуперативный тормоз работал сразу после выезда, а не через три километра.

В вашем случае могу посоветовать таки разобрать батарею и посмотреть на разбаланс ячеек, а так же на наличие балансиров в бмс. Иногда их не бывает (экономят на всём).

А скорее всего, снижение запаса хода всё же связано с осенним понижением температуры. При холоде не только мёрзнет батарейка, из-за чего отдаёт меньше энергии, но и возрастает расход этой энергии на преодоление сопротивления воздуха. Холодный воздух плотнее, и одежды больше.

[Гиперкуница]

Правильная эксплуатация может продлить жизнь литий-ионного аккумулятора.
Фрэн Хоффард
www.powerelectronics.com
Используйте неполный разряд. Использование всего лишь 20% или 30% емкости
аккумулятора перед последующей зарядкой существенно увеличивает количество
циклов. Общее правило таково, что 5 или 10 неглубоких разрядов равны одному
полному разряду. Хотя неполный разряд обеспечивает количество циклов,
измеряемое тысячами, содержание полностью заряженного аккумулятора под
зарядным напряжением также сокращает время жизни. Следует при всякой возможности избегать полного разряда аккумуляторов ( до 2.5 В или до 3В в
зависимости от электрохимической системы)

[LENAR_116RUS]

содержание полностью заряженного аккумулятора под
зарядным напряжением также сокращает время жизни.

Так БМС же отключает ЗУ в конце заряда

[Surf_el]

Так БМС же отключает ЗУ в конце заряда

Нет. Если зу исправно и выдает правильное напряжение, то бмс ничего не отключает на исправном аккумуляторе . Бмс это по сути предохранитель и срабатывает только при аварийном режиме

[LENAR_116RUS]

Нет. Если зу исправно и выдает правильное напряжение, то бмс ничего не отключает на исправном аккумуляторе . Бмс это по сути предохранитель и срабатывает только при аварийном режиме

Ну вот у меня в конце заряда у ЗУ останавливается вентилятор + балансиры начинают разряжать до определенного уровня.
Не будет же ЗУ постоянно заряжать, а потом балансиры опять разряжать и так бесконечно.   Это же бред.

[passer]

Хотя неполный разряд обеспечивает количество циклов,
измеряемое тысячами, содержание полностью заряженного аккумулятора под
зарядным напряжением также сокращает время жизни.

Тут все неочевидно. Можно же посмотреть - докуда падает заряд в течении например часа и заряжать только до такого напряжения. Но будет ли это означать что под таким напряжением батарее безразлично находиться. Мысль или вывод неполные

[Surf_el]

Ну вот у меня в конце заряда у ЗУ останавливается вентилятор + балансиры начинают разряжать до определенного уровня.
Не будет же ЗУ постоянно заряжать, а потом балансиры опять разряжать и так бесконечно.   Это же бред.

Это зависит от конкретного зу. И балансиры есть не везде. В любом случае, если нет существенного разбаланса ячеек и зу настроено правильно, бмс срабатывать не будет. А уж будет ли отключаться зу или не будет, и если будет, то при каком условии снова включится зависит от схемы этого зу

[yurgen]

Не будет же ЗУ постоянно заряжать, а потом балансиры опять разряжать и так бесконечно.   Это же бред.

Это бизнес, детка
если все сделать правильно, то ваша батарея  будет работать долго, практически вечно.
Производитель разорится.

[Яков93]

Нет. Если зу исправно и выдает правильное напряжение, то бмс ничего не отключает на исправном аккумуляторе . Бмс это по сути предохранитель и срабатывает только при аварийном режиме

"Правильное" это какое? На 100% зарядного напряжения или на 90% как пишет tmiaer?